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Práctica 2. Metodología de diseño con Arduino

Manuel Jiménez Buendía

José Alfonso Vera Repullo Departamento de Tecnología Electrónica

Curso 2013/2014

Metodología de diseño con Arduino

Electrónica Industrial 2

Material necesario • ARDUINO UNO REV.3. Precio aprox.: €20.00 • Cable USB tipo impresora. • Arduino Sidekick Basic Kit (KIT2243P). Precio aprox: €20.00



Microcontroladores

• Un microcontrolador (μC) es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria, y que dispone de los tres elementos básicos de una microcomputadora: un procesador, memoria e interfaces.

• Existe una amplia variedad de microcontroladores con muy diferentes prestaciones (velocidad de reloj, consumo de energía, tamaño de los datos, interfaces, etc.)

Los microcontroladores se utilizan para reducir el tamaño, costo económico y el consumo de energía de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la unidad central de procesamiento, la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación. Ventajas de los microcontroladores : • Bajo coste. • Versatilidad. • Desarrollo más rápido. • Facilidad de programación • Tamaño muy reducido.



Conceptos generales



Los microcontroladores se utilizan en un amplio rango de aplicaciones. Algunas de estas pueden ser: • Electrodomésticos => Panel de control de un horno microondas. • Equipos de sonido => Reproductor musical y/o vídeo (MP3 y/o MP4). • Vehículos (Automóviles, camiones y aviones) => Control de velocidad de crucero, antibloqueo de frenos,

control de encendido, entrada automática , control ambiental y flujo de aire y de combustible, etc... • Juguetes => Sistema de control de un perro robot. • Equipos de oficina => Control de una máquina de Fax.

Los microcontroladores suponen más de un 50% de los Circuitos Integrados existentes hoy en día. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa (por ejemplo en los ordenadores personales), se pueden encontrar una o dos docenas de microcontroladores distribuidos entre los diferentes dispositivos existentes en un hogar cualquiera. Los μC se pueden encontrar en casi cualquier dispositivo electrónico como automóviles, lavadoras, frigoríficos, hornos microondas, teléfonos, mandos inalámbricos, teclados, juguetes, etc.

Aplicaciones



Fabricantes

Empresa 8 bits 16 bits 32 bits

Atmel X X

Freescale X X X

Holtek X

Intel X X X

National Semiconductor X X X

Microchip X X X

NXP Semiconductor X X X

Renesa X X X

STMicroelectronics X

Texas Instruments X X

Zilog X



Conexiones básicas de un μC

Fuente de alimentación de 5 V DC

Circuito de RESET

Oscilador

Fuente: http://www.mikroe.com/



Arduino



Conceptos generales

• Arduino es una plataforma de diseño de objetos interactivos (Physical Computing o Physical Interaction Design) que integra una tarjeta microcontroladora open-source, un entorno de desarrollo de software basado en el lenguaje de programación Processing y una amplia comunidad de usuarios.

• En resumen, Arduino se utiliza para desarrollar objetos y entornos interactivos (internet de las

cosas) que tienen que ver con la creación de obras de arte, diseño de mecatrónica (para consumo e industrial) y proyectos DIY (Do It Yourself) para aficionados.

• Los objetos pueden ser autónomos (stand-alone) o pueden comunicarse con cualquier software a través de puerto serie (p.e. Flash, Processing, MaxMSP,….), bien por cable o por Xbee, ZigBit, etc.

• Las tarjetas microcontroladoras pueden ser construidas por el usuario final o pueden comprarse ya fabricadas.

• El entorno de desarrollo (IDE, Integrated Development Environment) puede ser descargado libremente desde arduino.cc

Arduino

http://arduino.cc/



Conceptos generales

• Es un entorno multiplataforma. Puede correr sobre Windows, Macintosh y Linux. • El IDE de Arduino está basado en Processing, un entorno de desarrollo fácil de utilizar por

artistas y diseñadores.

• Las tarjetas μC Arduino se pueden programar vía un cable USB, no un puerto serie.

• Tanto el hardware como el software es open-source. El usuario puede descargar los diagramas de los circuitos, comprar todos los componentes y fabricárselo el mismo, sin tener que pagar nada a los fabricantes de Arduino.

• El hardware es barato. Una tarjeta Arduino UNO cuesta unos 20 €. Y reemplazar un chip dañado en la tarjeta es fácil y barato (no cuesta más de 5€).

• Hay una comunidad de usuarios muy activa con la que poder colaborar y recibir ayuda.

¿Qué lo diferencia de otros entornos?



Placas Arduino (I)

Consultar para una lista completa http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_Arduino_compatibles

Arduino Leonardo (2012) Arduino Mega 2560 (XXXX) Arduino Uno (XXXX) Arduino Mega (XXXX)

Arduino Duemilanove (XXXX) Arduino Diecimila(XXXX) Arduino Bluetooth (XXXX) Arduino NG Rev.C (XXXX)

Arduino NG (XXXX) Lily PAD Arduino (XXXX) Arduino Nano (XXXX) Arduino Mini (XXXX)

Placas oficiales de Arduino



Placas Arduino (II) Shields: Arquitectura modular inteligente

• Las Shields son placas que a modo de accesorio se pueden conectar a una placa Arduino o compatible.

• Para ello los pines de sus puertos guardan una disposición de compatibilidad.

• Existe una gran variedad de shields con diversa funcionalidad: control de motores, comunicaciones, prototipado rápido, etc.

• Arduino.

• GSM Shield.

• Ethernet Shield.

Una lista completa Shields se puede encontrar en: http://shieldlist.org/



Placa Arduino Uno (I)

• ATmega 328P-PU

• 32 KB de memoria de programa FLASH

• 2 KB de RAM

• 16 MHz de velocidad de reloj

• Entradas / Salidas

• 14 pines de entradas/salidas • 6 pines de entradas analógicas (también salidas) • Total: 20 entradas/salidas

• Completamente autónomo (stand-alone) una vez

programado.

Fuente: http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno

Características principales del Arduino ™ Uno Rev. 3



Placa Arduino Uno (II)


Alimentación y POWER

Puerto USB Alimentación 5 V

Jack

Alimentación externa: Recomndado: 7-12 V Límites: 6-20 V

3.3V 3,3 voltios

5V 5 voltios

GND 0 voltios

Vin Alimentación externa de entrada sin regular



Placa Arduino Uno (III)


Entradas / Salidas

14 pines de E/S digitales. 2,4,7,8,12,13 = puertos digitales convencionales 3,5,6,9,10,11 = puertos PWM

Puertos analógicos.

A4, A5 = son utilizadas para conexiones I2C/TWI A0-A5 = pueden funcionar como puertos digitales (14-19)

AREF Voltaje de referencia para entradas analógicas



Placa Arduino Uno (IV)


Comunicaciones

Puerto serie RX/TX. ICSP. (In-Circuit Serial Programming)

Para cargar el gestor de arranque (bootloader) o programas/firmware.

Puerto USB y FTDI chipset



Placa Arduino Uno (V)


Otras características Botón de RESET LEDs de test, TX y RX LED de encendido Reloj a 16/20 MHz Microcontrolador

Atmega328



Entradas/salidas de Arduino (I)

Fuente: http://arduino.cc/en/Hacking/PinMapping168

Mapeado entre ATmega168/328 y Arduino



Entradas/salidas de Arduino (II) Puertos de entrada/salida digitales

• Trabajan con niveles de tensión TTL: • 0 - 0,8 V = 0 • 2- 5 V = 1

• No se pueden conectar directamente a dispositivos que consuman potencia (Imax= 40 mA).

Puertos analógicos

• Convertidor A/D de 10 bits: 0 a 1023. • La tensión de referencia es 5 V.

• 0 V = 0 • 2,5 V = 215 • 5 V = 1023



Entradas/salidas de Arduino (III) Puertos PWM

• Es un puerto híbrido, ya que es un puerto digital que mediante la modulación de 0 y 1 consigue expresar una idea de potencia.



Entradas/salidas de Arduino (IV) ¿Cómo se trabaja en la práctica?

• Asignamos componentes a los puertos disponibles (digitales, analógicos y PWM).

• Realizamos lecturas y escrituras con el objeto de obtener un dato de un sensor o contralar un determinado actuador.

• Procesamos los datos en el μC.

Veamos algunos ejemplos de componentes que podemos utilizar……



Entradas/salidas de Arduino (V) Algunos ejemplos de sensores y actuadores para Arduino

Brújula Sensor de temperatura

Medidor ultrasónico

GPS Pantalla táctil Controlador de motor

Unidad GSM/GPRS

Sensor de presión



¿Dónde comprar un Arduino? Tiendas

Se agradece cualquier información para tener actualizada esta lista

Españolas Extranjeras

www.cooking-hacks.com

www.bricogeek.com

www.ardumania.es

www.electan.com

Rayte

www.parallax.com

www.sparkfun.com

www.makershed.com

www.liquidware.com

www.ladyada.net

www.adafruit.com

http://www.sparkfun.com/

http://www.ardumania.es/

http://www.electan.com/

http://www.parallax.com/

http://www.sparkfun.com/

http://www.makershed.com/

http://www.liquidware.com/

http://www.ladyada.net/

http://www.adafruit.com/



El entorno de desarrollo Arduino (I) ¿Cómo podemos empezar?

• Descargar la última versión del IDE (1.0.5). • http://arduino.cc/en/Main/Software

• Sigue las instrucciones de http://arduino.cc/es/Guide/HomePage para la instalación en

Windows (recomendable fichero instalable), Mac o Linux (descomprimir, instalar el driver, abrir el IDE y seleccionar el puerto correcto (Menú “HerramientasPuerto Serial”)).

• Conecta la placa Arduino a tu ordenador usando el cable USB. el LED verde indicador de la alimentación (nombrado como ON en la placa) debería quedar encendido a partir de ese momento.

• Haz doble clic sobre la aplicación Arduino o el acceso directo. • Abre el programa de ejemplo para hacer parpadear un LED ("LED blink"): Abrir > Basics >

Blink (pin 13 del microcontrolador). • Compilamos el programa de ejemplo: Verificar • Cargamos el código compilado en Arduino: Cargar

Si todo funciona correctamente el LED de TEST debería parpadear Prueba a cambiar los tiempos de retardo y comprueba que la frecuencia de parpadeo varía

http://arduino.cc/en/Main/Software

http://arduino.cc/es/Guide/HomePage



El entorno de desarrollo Arduino (II) Versión 1.0.1

Menú

Área de Programación

Área de DEBUG



El entorno de desarrollo Arduino (III) Versión 1.0.1

• Los programas desarrollados con Arduino se conocen como sketches.

• Los sketches se escriben con un editor de texto y son guardados con la extensión .ino

Verificar Chequea errores

Cargar Compila y carga

Nuevo Crea nuevos sketches

Abrir Abre sketches existentes

Guardar Graba Sketches

Monitor Serial Abre el monitor serie



El lenguaje de programación (I) Conceptos generales.

• Se basa en C estándar.

• Para el control de los puertos del microcontrolador se utilizan las funciones predefinidas:

• pinMode(<puerto>,<modo>) // configura un puerto digital para leer o escribir datos

• digitalWrite(<puerto>,0 o 1) // envía un 0 o 1 al puerto digital

• digitalRead(<puerto>) // devuelve un 0 o 1 del puerto

• analogRead(<puerto>) // devuelve un valor (0-1023) del puerto analógico

• analogWrite(<puerto>,<valor>) //escribe en un puerto PWM un valor de 0 a 255

Referencia funciones – sintaxis: http://arduino.cc/en/Reference/HomePage

http://arduino.cc/en/Reference/HomePage



Se tienen que programar obligatoriamente dos funciones: void setup() // se ejecuta una sola vez, cuando se inicia el sketch { } void loop() // se ejecuta de modo continuo indefinidamente { }

El lenguaje de programación (II) Estructura de un programa.



Ejemplo: encendido/apagado LED (I) Código fuente.

/* Blink Turns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly. This example code is in the public domain. */ // Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards. // give it a name: int led = 13; // the setup routine runs once when you press reset: void setup() { // initialize the digital pin as an output. pinMode(led, OUTPUT); } // the loop routine runs over and over again forever: void loop() { digitalWrite(led, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level) delay(1000); // wait for a second digitalWrite(led, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW delay(1000); // wait for a second }

LED L (en placa conectado a pin 13)



Ejemplo: encendido/apagado LED (II) Esquemático.

Resistor 330 ohm (orange, orange, brown)



Ejemplo: encendido/apagado LED (III) Esquemático.




Ejemplo: encendido/apagado LED (IV) Montaje en protoboard.



Ejemplo: encendido/apagado LED (V) Esquemático.


Medir Polímetro: • I en LED • V en salida (Pin 13)



Fritzing • Esquemático, PCB,

protoboard • Multiplataforma

http://fritzing.org/download/ http://sourceforge.net/projects/fritzing.mirror/?source=directory

http://www.virtualbreadboard.com/

Virtual breadboard • Sólo protoboard • Windows (Linux/OSX sólo VBB

express with Mono runtime)

http://fritzing.org/download/

http://sourceforge.net/projects/fritzing.mirror/?source=directory

http://sourceforge.net/projects/fritzing.mirror/?source=directory

http://www.virtualbreadboard.com/



Ej.: on/off (fade) progresivo de un LED (I) Esquemático y código fuente.

Pin 9

Habrá que utilizar: • una salida PWM (3,5,6,9,20 o 11) • analogWrite(<pin>,<valor>)



Ej.: on/off (fade) progresivo de un LED (II) Esquemático y código fuente.

Pin 9


/* Fade This example shows how to fade an LED on pin 9 using the analogWrite() function. This example code is in the public domain. */ int led = 9; // the pin that the LED is attached to int brightness = 0; // how bright the LED is int fadeAmount = 5; // how many points to fade the LED by // the setup routine runs once when you press reset: void setup() { // declare pin 9 to be an output: pinMode(led, OUTPUT); } // the loop routine runs over and over again forever: void loop() { // set the brightness of pin 9: analogWrite(led, brightness); // change the brightness for next time through the loop: brightness = brightness + fadeAmount; // reverse the direction of the fading at the ends of the fade: if (brightness == 0 || brightness == 255) { fadeAmount = -fadeAmount ; } // wait for 30 milliseconds to see the dimming effect delay(30); }



Ej.: on/off (fade) progresivo de un LED (III) Esquemático y código fuente.

Pin 9


Modificar código para menor velocidad Medir Polímetro: • V en salida (Pin 9) Osciloscopio: • V en salida (Pin 9)

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