Taller de ArduinoPor: Francisco Miguel Gómez Gutiérrez

Índice Hardware Arduino Software y Lenguaje Arduino Comunicación con el puerto serie Entradas y Salidas Digitales Entradas y Salidas Analógicas Uso de Motores Uso de Sensores Protocolos de comunicación I2C y SPI

Hardware Arduino

¿ Qué es Arduino? Una placa hardware libre que incorpora un microcontrolador

reprogramable y una serie de pines-hembra (los cuales están unidos internamente a las patillas de E/S del microcontrolador) que permiten conectar allí de forma muy sencilla y cómoda diferentes sensores y actuadores.

Un software (más en concreto, un “entorno de desarrollo”) gratis, libre y multiplataforma (ya que funciona en Linux, MacOS y Windows) que debemos instalar en nuestro ordenador y que nos permite escribir, verificar y guardar (“cargar”) en la memoria del microcontrolador de la placa Arduino el conjunto de instrucciones que deseamos que este empiece a ejecutar. Es decir: nos permite programarlo. La manera estándar de conectar nuestro computador con la placa Arduino para poder enviarle y grabarle dichas instrucciones es mediante un simple cable USB, gracias a que la mayoría de placas Arduino incorporan un conector de este tipo.

Un lenguaje de programación libre. Por “lenguaje de programación” se entiende cualquier idioma artificial diseñado para expresar instrucciones (siguiendo unas determinadas reglas sintácticas) que pueden ser llevadas a cabo por maquinas. Concretamente dentro del lenguaje Arduino, encontramos elementos parecidos a muchos otros lenguajes de programación existentes (como los bloques condicionales, los bloques repetitivos, las variables, etc.), así como también diferentes comandos –asimismo llamados “ordenes” o “funciones” – que nos permiten especificar de una forma coherente y sin errores las instrucciones exactas que queremos programar en el microcontrolador de la placa. Estos comandos los escribimos mediante el entorno de desarrollo Arduino.

Alimentación El voltaje de funcionamiento de la placa Arduino (incluyendo el microcontrolador y el resto de componentes) es de 5 V. Podemos obtener esta alimentación eléctrica de varias maneras: Conectando la placa Arduino a una fuente externa

(Adaptador AC/DC o Pila) Conectando la placa Arduino a nuestro

computador mediante un cable USB

Conectando la placa Arduino a una fuente externa (Adaptador AC/DC o Pila)

Para el primer caso, la placa dispone de un zócalo donde se puede enchufar una clavija de 2,1 milímetros de tipo “jack”. Para el segundo, los cables salientes de los bornes de la pila se pueden conectar a los pines-hembra marcados como “Vin” y “Gnd” (positivo y negativo respectivamente) en la zona de la placa marcada con la etiqueta “POWER”. En ambos casos, la placa está preparada en teoría para recibir una alimentación de 6 a 20 voltios, aunque, realmente, el rango recomendado de voltaje de entrada (teniendo en cuenta el deseo de obtener una cierta estabilidad y seguridad eléctricas en nuestros circuitos) es menor: de 7 a 12 voltios. En cualquier caso, este voltaje de entrada ofrecido por la fuente externa siempre es rebajado a los 5 V de trabajo mediante un circuito regulador de tensión que ya viene incorporado dentro de la placa.

Si utilizamos una pila como alimentación externa, una ideal seria la de 9 V (está dentro del rango recomendado de 7 a 12 voltios), y si se utiliza un adaptador AC/DC, se recomienda el uso de uno con las siguientes características: El voltaje de salida ofrecido ha de ser de 9 a 12 V DC. En

realidad, el circuito regulador que lleva incorporado la placa Arduino es capaz de manejar voltajes de salida (de entrada para la placa) de hasta 20 V, así que en teoría se podrían utilizar adaptadores AC/DC que generen una salida de 20 V DC. No obstante, esta no es una buena idea porque se pierde la mayoría del voltaje en forma de calor (lo cual es terriblemente ineficiente) y además puede provocar el sobrecalentamiento del regulador, y como consecuencia dañar la placa.

La intensidad de corriente ofrecida ha de ser de 250 más (o más). Si conectamos a nuestra placa Arduino muchos componentes o unos pocos pero consumidores de mucha energía (como por ejemplo una matriz de LEDs, una tarjeta SD o un motor) el adaptador debería suministrar al menos 500 mA o incluso 1 A. De esta manera nos aseguraremos de que tenemos suficiente corriente para que cada componente pueda funcionar de forma fiable.

El adaptador ha de ser de polaridad “con el positivo en el centro”. Esto quiere decir que la parte externa del cilindro metálico que forma la clavija de 5,5/2,1 mm del adaptador ha de ser el borne negativo y el hueco interior del cilindro ha de ser el borne positivo. Lo más sencillo para estar seguros de que nuestro adaptador es el adecuado en este sentido es observar si tiene imprimido en algún sitio el siguiente símbolo:

Conectando la placa Arduino a nuestro computador mediante un cable USB

La placa dispone de un conector USB hembra de tipo B. La alimentación recibida de esta manera está regulada permanentemente a los 5 V de trabajo y ofrece un máximo de hasta 500 mA de corriente (por lo tanto, la potencia consumida por la placa es en ese caso de unos 2,5 W).

Si en algún momento por el conector USB pasa más intensidad de la deseable, la placa Arduino está protegida mediante un polifusible reseteable que automáticamente rompe la conexión hasta que las condiciones eléctricas vuelven a la normalidad.

Pines etiquetados como Power ”GND”: pines-hembra conectados a tierra. Es muy

importante que todos los componentes de nuestros circuitos compartan una tierra común como referencia.

”Vin”: este pin-hembra se puede utilizar para dos cosas diferentes: si la placa está conectada mediante la clavija de 2,1mm a alguna fuente externa, podemos conectar a este pin-hembra cualquier componente electrónico para alimentarlo directamente con el nivel de voltaje que esté aportando la fuente en ese momento. También podemos usar el pin-hembra “Vin” para otra cosa: para alimentar la propia placa directamente desde alguna fuente de alimentación externa sin utilizar ni la clavija ni el cable USB.

”5 V”: este pin-hembra se puede utilizar para dos cosas diferentes: tanto si la placa está alimentada mediante el cable USB como si está alimentada por una fuente externa, podemos conectar a este pin-hembra cualquier componente para que pueda recibir 5 V regulados. También para alimentar la propia placa desde una fuente de alimentación externa previamente regulada a 5 V sin utilizar el cable USB ni la clavija de 2,1mm.

”3,3 V”: este pin-hembra ofrece un voltaje de 3,3 voltios. Este voltaje se obtiene a partir del recibido indistintamente a través del cable USB o de la clavija de 2,1 mm, y está regulado (con un margen de error del 1%) por un circuito especifico incorporado en la placa: el LP2985. En este caso particular, la corriente máxima generada es de 50 mA. No podremos conectar ninguna fuente externa aquí porque el voltaje es demasiado limitado para poder alimentar a la placa.

Las entradas y salidas digitales Es aquí donde conectaremos nuestros sensores para

que la placa pueda recibir datos del entorno, y también donde conectaremos los actuadores para que la placa pueda enviarles las ordenes pertinentes, además de poder conectar cualquier otro componente que necesite comunicarse con la placa de alguna manera.

Todos estos pines-hembra digitales funcionan a 5 V, pueden proveer o recibir un máximo de 40 mA y disponen de una resistencia “pull-up” interna de entre 20 KΩ y 50 KΩ que inicialmente está desconectada (salvo que nosotros indiquemos lo contrario mediante programación software).

Las entradas analógicas Pueden recibir voltajes dentro de un rango de valores

continuos de entre 0 y 5 V. La placa tan solo puede trabajar con valores digitales,

por lo que es necesaria una conversión previa del valor analógico recibido a un valor digital lo más aproximado posible. Esta se realiza mediante un circuito conversor analógico/digital incorporado en la propia placa.

El circuito conversor es de 6 canales (uno por cada entrada) y cada canal dispone de 10 bits (los llamados “bits de resolución”) para guardar el valor del voltaje convertido digitalmente.

Salidas analógicas PWM La placa Arduino no dispone de pines-hembra de salida analógica

propiamente dichos (porque su sistema electrónico interno no es capaz de manejar este tipo de señales), sino que utiliza algunos pines-hembra de salida digitales concretos para “simular” un comportamiento analógico. Los pines-hembra digitales que son capaces trabajar en este modo no son todos: solo son los marcados con la etiqueta “PWM”.

Cada pin-hembra PWM tiene una resolución de 8 bits. Esto quiere decir que si contamos el numero de combinaciones de 0s y 1s que se pueden obtener con 8 posiciones, obtendremos un máximo de 28 (256) valores diferentes posibles. Por tanto, podemos tener 256 valores diferentes para indicar la duración deseada de los pulsos de la señal cuadrada (o dicho de otra forma: 256 valores promedio diferentes) y por tanto, generará una señal analógica de un valor entre 0 V y 5 V.

Software y Lenguaje Arduino

IDE de Arduino Las siglas IDE vienen de Integrated Development Environment,

lo que traducido a nuestro idioma significa Entorno de Desarrollo Integrado. Esto es simplemente una forma de llamar al conjunto de herramientas software que permite a los programadores poder desarrollar (es decir, básicamente escribir y probar) sus propios programas con comodidad. En el caso de Arduino, necesitamos un IDE que nos permita escribir y editar nuestro programa (también llamado “sketch” en el mundo de Arduino), que nos permita comprobar que no hayamos cometido ningún error y que además nos permita, cuando ya estemos seguros de que el sketch es correcto, grabarlo en la memoria del microcontrolador de la placa Arduino para que este se convierta a partir de entonces en el ejecutor autónomo de dicho programa.

El IDE se divide en cinco grandes áreas. De arriba abajo son: la barra de menús, la barra de botones, el editor de código propiamente dicho, la barra y la consola de mensajes, y la barra de estado.

La zona del IDE donde trabajaremos más tiempo será́ el editor de código, ya que es allí donde escribiremos nuestros sketches. Otra zona que utilizaremos a menudo será́ la barra de botones, compuesta por los siguientes elementos:

Verify: este botón realiza dos cosas: comprueba que no haya ningún error en el código de nuestro sketch, y si el código es correcto, entonces lo compila. Este es el primer botón que deberemos pulsar cada vez que deseemos probar cualquier modificación que hagamos en nuestro sketch.

Upload: Su función es invocar internamente al comando “avrdude” para cargar en la memoria del microcontrolador de la placa Arduino el sketch recientemente verificado y compilado. “Avrdude” es capaz de realizar su tarea porque al hacer clic en este botón se activa automáticamente el bootloader del microcontrolador (el “auto-reset”).

New: crea un nuevo sketch vacío. Open: presenta un menú́ con todos los sketches disponibles para abrir.

Podremos abrir tanto nuestros propios sketches como gran cantidad de sketches de ejemplo listos para probar, clasificados por categorías dentro del menú́.

Save: guarda el código de nuestro sketch en un fichero, el cual tendrá́ la extensión “.ino”. Podemos guardar estos ficheros donde queramos, pero el IDE Arduino nos ofrece una carpeta especifica para ello, la carpeta “sketchbook”, ubicada dentro de la carpeta personal de nuestro usuario del sistema y generada automáticamente la primera vez que se ejecuta el IDE. En realidad, dentro de esta carpeta “sketchbook” se creará una subcarpeta diferente para cada proyecto dentro de la cual se guardaran los sketches correspondientes; de esta manera, sketches de diferentes proyectos no se mezclan entre si.

Serial Monitor: abre el “monitor serie” El “Serial monitor” es una ventana del IDE que nos permite

desde nuestro computador enviar y recibir datos textuales a la placa Arduino usando el cable USB (más exactamente, mediante una conexión serie). Para enviar datos, simplemente hay que escribir el texto deseado en la caja de texto que aparece en su parte superior y clicar en el botón “Send” (o pulsar Enter). Aunque, evidentemente, no servirá́ de nada este envió si la placa no está programada con un sketch que sea capaz de obtener estos datos y procesarlos. Por otro lado, los datos recibidos provenientes de la placa serán mostrados en la sección central del “Serial monitor”.

Es importante elegir mediante la caja desplegable de la parte inferior derecha del “Serial monitor” la misma velocidad de transmisión (en bits/s, también llamados “baudios”) que la que se haya especificado en el sketch ejecutado en la placa, porque si no, los caracteres transferidos no serán reconocidos correctamente y la comunicación no tendrá́ sentido.

Estructura general de un sketch Un programa diseñado para ejecutarse sobre un

Arduino (un “sketch”) siempre se compone de tres secciones:

La sección de declaraciones de variables globales: ubicada directamente al principio del sketch.

La sección llamada “void setup()”: delimitada por llaves de apertura y cierre.

La sección llamada “void loop()”: delimitada por llaves de apertura y cierre.

La primera sección del sketch (que no tiene ningún tipo de símbolo delimitador de inicio o de final) está reservada para escribir, tal como su nombre indica, las diferentes declaraciones de variables que necesitemos. En un apartado posterior explicaremos ampliamente qué significa todo esto.

En el interior de las otras dos secciones (es decir, dentro de sus llaves) deberemos escribir las instrucciones que deseemos ejecutar en nuestra placa, teniendo en cuenta lo siguiente:

Las instrucciones escritas dentro de la sección “void setup()” se ejecutan una única vez, en el momento de encender (o resetear) la placa Arduino.

Las instrucciones escritas dentro de la sección “void loop()” se ejecutan justo después de las de la sección “void setup()” infinitas veces hasta que la placa se apague (o se resetee). Es decir, el contenido de “void loop()” se ejecuta desde la 1a instrucción hasta la ultima, para seguidamente volver a ejecutarse desde la 1a instrucción hasta la ultima, para seguidamente ejecutarse desde la 1a instrucción hasta la ultima, y así una y otra vez.

Comentarios Comentarios compuestos por

una línea entera (o parte de ella): para añadirlos deberemos escribir dos barras ( // ) al principio de cada línea que queramos convertir en comentario. También podemos comentar solamente una parte de la línea, si escribimos las barras en otro punto que no sea el principio de esta; de esta manera solamente estaremos comentando lo que aparece detrás de las barras hasta el final de la línea, pero lo anterior no.

Comentarios compuestos por un bloque de varias líneas seguidas: para añadirlos deberemos escribir una barra seguida de un asterisco ( /* ) al principio del bloque de texto que queramos convertir en comentario, y un asterisco seguido de una barra ( */ ) al final de dicho bloque.

Ámbito de una variable

Variable Global Se ha de declarar al

principio de nuestro sketch; es decir, antes (y fuera) de las secciones “void setup()” y “void loop()”.

Una variable global es aquella que puede ser utilizada y manipulada desde cualquier punto del sketch.

Variable Local Se ha de declarar en el interior

de alguna de las secciones de nuestro sketch (es decir, dentro de “void setup()” o de “void loop()” o de otras que puedan existir).

Una variable local es aquella que solo puede ser utilizada y manipulada por las instrucciones escritas dentro de la misma sección donde se ha declarado.

Tipos de una variable El tipo “boolean”: las variables de este tipo solo pueden

tener dos valores: cierto o falso. El valor guardado en una variable booleana ocupa siempre un byte de memoria.

Para asignar explícitamente a una variable de tipo “boolean” el valor de cierto, se puede utilizar la palabra especial “true” o bien el valor “1” , y para asignarle el valor de falso se puede utilizar la palabra especial “false” o bien el valor “0”. El tipo “char”: el valor que puede tener una variable de este

tipo es siempre un solo carácter (una letra, un digito, un signo de puntuación...). Cada variable de tipo carácter ocupa 8 bits (un byte) de memoria para almacenar su valor.

Para asignar explícitamente a una variable de tipo “char” un determinado valor (es decir, un carácter), deberemos tener la precaución de escribir ese carácter entre comillas simples.

El tipo “byte”: el valor que puede tener una variable de este tipo es siempre un numero entero entre 0 y 255. Al igual que las variables de tipo “char”, las de tipo “byte” utilizan un byte (8 bits) para almacenar su valor y, por tanto, tienen el mismo numero de combinaciones numéricas posibles diferentes (256), pero a diferencia de aquellas, los valores de una variable “byte” no pueden ser negativos.

El tipo “int”: el valor que puede tener una variable de este tipo es un numero entero entre -32768 (-215) y 32767 (215-1), gracias a que utilizan 2 bytes (16 bits) de memoria para almacenarse.

El tipo “word”: Las variables de tipo “int” y “word” ocupan el mismo espacio de memoria en este caso son 2 bytes pero los valores de las segundas no pueden ser negativos. Es fácil ver que el valor que puede tener una variable “word” en todas las placas excepto la Arduino Due es un numero entero entre 0 y 65535 (216-1).

El tipo “short”: el valor que puede tener una variable de este tipo es un numero entero entre -32768 (-215) y 32767 (215-1), gracias a que utilizan 2 bytes (16 bits) de memoria para almacenarse. En este sentido, los tipos “short” e “int” para placas de la familia AVR son equivalentes, pero para la placa Arduino Due el tipo “short” es el único que utiliza 16 bits.

El tipo “long”: el valor que puede tener una variable de este tipo es un numero entero entre -2.147.483.648 y 2.147.483.647 gracias a que utilizan 4 bytes (32 bits) de memoria para almacenarse.

El tipo “unsigned long”: el valor que puede tener una variable de este tipo para todos los modelos de placa (ya sean basadas en microcontroladores de tipo AVR o ARM) es un numero entero entre 0 y 4.294.967.295 (232-1). Al igual que las variables de tipo “long”, las de tipo “unsigned long” utilizan 4 bytes (32 bits) para almacenar su valor, y por tanto, tienen el mismo numero de combinaciones numéricas posibles diferentes (232), pero a diferencia de aquellas, los valores de una variable “unsigned long” no pueden ser negativos (tal como ya indica su propio nombre).

El tipo “float”: el valor que puede tener una variable de este tipo es un numero decimal. Los valores “float” posibles pueden ir desde el numero -3,4028235·1038

hasta el numero 3,4028235·1038. Debido a su grandísimo rango de valores posibles, los números decimales son usados frecuentemente para aproximar valores analógicos continuos. Los valores “float” no son exactos, y pueden producir resultados inesperados, como por ejemplo que, 6.0/3.0 no dé exactamente 2.0. Si lo deseamos, también se puede utilizar la notación científica (es decir, el numero 0,0234 –equivalente a 2,34·10-2 – lo podríamos escribir por ejemplo como 2.34e-2).

El tipo “double”: Es un sinónimo exactamente equivalente del tipo “float”. Tanto una variable de tipo “double” como una de tipo “float” ocupan cuatro bytes de memoria.

Arrays Un array (también llamado “vector”) es una

colección de variables de un tipo concreto que tienen todas el mismo y único nombre, pero que pueden distinguirse entre sí por un numero a modo de índice.

Podemos crear –declarar– un array (ya sea en la zona de declaraciones globales o bien dentro de alguna sección concreta), de las siguientes maneras:

Maneras de declarar un array int varInt[6]; int varInt[] =

{2,5,6,7};

int varInt[8] = {2,5,6,7};

Declara un array de 6 elementos sin inicializar ninguno.

Declara un array sin especificar el numero de elementos. No obstante, se asignan los valores directamente a los elementos.

Declara un array de 8 elementos e inicializa algunos de ellos (los cuatro primeros), dejando el resto sin inicializar.

Como los arrays de tipo “char” son en realidad cadenas de caracteres (es decir: palabras o frases, “strings” en inglés) tienen la particularidad de poder inicializarse de las siguientes maneras: char varChar[6] = “hola”; char varChar[6] = {'h','o','l','a'}; char varChar[] =”hola”; Hay que tener en cuenta que el primer valor del array tiene el índice 0 y por tanto, el ultimo valor tendrá́ un índice igual al numero de elementos del array menos uno. Finalmente, comentar que a menudo es conveniente, cuando se trabaja con grandes cantidades de texto (por ejemplo, en un proyecto con pantallas LCD), utilizar arrays de strings. Para declarar un array de esta clase, se utiliza el tipo de datos especial “char*” (notar el asterisco final). Un ejemplo de declaración e inicialización de este tipo seria:

char* varCadenas[]={"Cad0","Cad1","Cad2","Cad3"};.

Cambio de tipo de variableEsto se llama “casting”, y puede ser útil cuando se quiere utilizar ese valor en cálculos que requieran un tipo diferente del original, o también cuando se quiere asignar el valor de una variable de un tipo a otra variable de tipo diferente. Para convertir un valor –del tipo que sea– en otro, podemos utilizar alguna de las siguientes instrucciones: char() : escribiremos entre ( ) el valor –o el nombre de la variable que lo contiene-

que queremos convertir en tipo “char” byte() : escribiremos entre ( ) el valor –o el nombre de la variable que lo contiene–

que queremos convertir en tipo “byte” int() : escribiremos entre ( ) el valor –o el nombre de la variable que lo contiene– que

queremos convertir en tipo “int” word() : escribiremos entre ( ) el valor –o el nombre de la variable que lo contiene–

que queremos convertir en tipo “word” long() : escribiremos entre ( ) el valor –o el nombre de la variable que lo contiene–

que queremos convertir en tipo “long” float(): escribiremos entre ( ) el valor –o el nombre de la variable que lo contiene–

que queremos convertir en tipo “float”

Constantes El valor no se pueda modificar nunca porque esté

marcado como de “solo lectura”. Para convertir una variable (sea global o local) en

constante, lo único que hay que hacer es preceder la declaración de esa variable con la palabra clave const.

Existe otra manera de declarar constantes en el lenguaje Arduino, que es utilizando la directiva especial #define.

Gestión de tiempo millis(): devuelve el numero de milisegundos (ms)

desde que la placa Arduino empezó́ a ejecutar el sketch actual.

micros(): devuelve el numero de microsegundos (μs) desde que la placa Arduino empezó́ a ejecutar el sketch actual.

delay(): pausa el sketch durante la cantidad de milisegundos especificados como parámetro –de tipo “unsigned long”–.

delayMicroseconds(): pausa el sketch durante la cantidad de microsegundos. El mínimo valor que se puede utilizar con precisión es de 3 μs. No tiene valor de retorno.

Estructuras condicionales Un bloque “if” sirve para comprobar si una condición

determinada es cierta (”true”,1) o falsa (”false”,0). Si la condición es cierta, se ejecutaran las instrucciones escritas en su interior (es decir, dentro de las llaves de apertura y cierre). Si no se cumple, puede no pasar nada, o bien, si existe tras el bloque “if” un bloque “else” (opcional), se ejecutaran las instrucciones escritas en el interior de ese bloque “else”. Es decir, si solo escribimos el bloque “if”, el sketch tendrá́ respuesta solamente para cuando sí se cumple la condición; pero si además escribimos un bloque “else”, el sketch tendrá́ respuesta para cuando sí se cumple la condición y para cuando no se cumple también.

Ahora que ya sabemos las diferentes sintaxis del bloque “if”, veamos qué tipo de condiciones podemos definir entre los paréntesis del “if”.

Además de los operadores de comparación, en las comparaciones también se pueden utilizar los operadores booleanos (también llamados lógicos), usados para encadenar dos o más comprobaciones dentro de una condición. Son los siguientes:

Un bloque “switch” es como una especie de “if else” escrito más compactamente. Consta en su interior de una serie de secciones “case” y, opcionalmente, de una sección “default”. Nada más llegar a la primera línea del “switch”, primero se comprueba el valor de la variable o expresión que haya entre sus paréntesis (siguiendo las mismas reglas y operadores posibles usados en un “if” estándar). Si el resultado es igual al valor especificado en la primera sección “case”, se ejecutaran las instrucciones del interior de la misma y se dará́ por finalizado el “switch”, continuando la ejecución del sketch por la primera línea después de la llave de cierre. En caso de no ser igual el resultado de la expresión a lo especificado en el primer “case” se pasará a comprobarlo con el segundo “case” , y si no con el tercero, etc. Por ultimo, si existe una sección “default” (opcional) y el resultado de la expresión no ha coincidido con ninguna de las secciones “case”, entonces se ejecutaran las sentencias de la sección “default”.

Hay que hacer notar que una vez ejecutada una de las secciones “case” de un bloque “switch” ya no se ejecutan más secciones “case”, aunque estas también dispongan del resultado correcto de la expresión evaluada: esto es así gracias a la instrucción “break;”.

Estructuras Repetitivas El bloque “while” (“mientras”, en ingles) es un

bloque que implementa un bucle; es decir, repite la ejecución de las instrucciones que están dentro de sus llaves de apertura y cierre. ¿Cuantas veces? No hay un numero fijo: se repetirán mientras la condición especificada entre sus paréntesis sea cierta (“true”,1). Su sintaxis es muy sencilla:

El bucle “do” funciona exactamente igual que el bucle “while”, con la excepción de que la condición es evaluada después de ejecutar las instrucciones escritas dentro de las llaves. Esto hace que las instrucciones siempre sean ejecutadas como mínimo una vez aun cuando la condición sea falsa, porque antes de llegar a comprobar esta, las instrucciones ya han sido leídas (a diferencia del bucle “while”, donde si la condición ya de entrada era falsa las instrucciones no se ejecutaban nunca).

El bloque “do” tiene la siguiente sintaxis:

La diferencia entre un bucle “while” (o “do”) y un bucle “for” está en que en el primero el numero de iteraciones realizadas depende del estado de la condición definida, pero en un bucle “for” el numero de iteraciones se puede fijar a un valor exacto. Por tanto, usaremos el bucle “for” para ejecutar un conjunto de instrucciones (escritas dentro de llaves de apertura y cierre) un numero concreto de veces. La sintaxis general del bucle “for” es la siguiente:

Operadores Compuestos

Comunicación con el Puerto Serie

Comunicación Serie con la Placa Arduino El canal físico de comunicación en estos casos suele

ser el cable USB, pero también pueden ser los pines digitales 0 (RX) y 1 (TX) de la placa. Si se usan estos dos pines para comunicar la placa con un dispositivo externo, tendremos que conectar concretamente el pin TX de la placa con el pin RX del dispositivo, el RX de la placa con el TX del dispositivo y compartir la tierra de la placa con la tierra del dispositivo. Hay que tener en cuenta que si se utilizan estos dos pines para la comunicación serie, no podrán ser usados entonces como entradas/salidas digitales estándar.

Instrucciones usadas en la comunicación Serial

Serial.begin(): abre el canal serie para que pueda empezar la comunicación por él. Por tanto, su ejecución es imprescindible antes de realizar cualquier transmisión por dicho canal. Por eso normalmente se suele escribir dentro de la sección “void setup()”. Además, mediante su único parámetro –de tipo “long” y obligatorio– , especifica la velocidad en bits/s a la que se producirá la transferencia serie de los datos. Para la comunicación con un computador, se suele utilizar el valor de 9600, pero se puede especificar cualquier otra velocidad.

Serial.end(): no tiene ningún argumento ni devuelve nada, y que se encarga de cerrar el canal serie;.

Instrucciones para enviar datos de la placa al exterior

Serial.print(): envía a través del canal serie un dato (especificado como parámetro) desde el microcontrolador hacia el exterior. Ese dato puede ser de cualquier tipo: carácter, cadena, número entero, número decimal (por defecto de dos decimales), etc. Si el dato se especifica explícitamente (en vez de a través de una variable), hay que recordar que los caracteres se han de escribir entre comillas simples y las cadenas entre comillas dobles.

Serial.println(): hace exactamente lo mismo que Serial.print(), pero además, añade automáticamente al final de los datos enviados dos caracteres extra: el de retorno de carro (código ASCII nº 13) y el de nueva línea (código ASCII nº10). La consecuencia es que al final de la ejecución de Serial.println() se efectúa un salto de línea. Tiene los mismos parámetros y los mismos valores de retorno que Serial.print()

Serial.flush() –que no tiene ningún parámetro ni devuelve ningún valor de retorno–, instrucción que espera hasta que la transmisión de los datos sea completa para continuar la ejecución del sketch.

Serial.write(): envía a través del canal serie un dato (especificado como parámetro) desde el microcontrolador hacia el exterior. Pero a diferencia de Serial.print(), el dato a enviar solo puede ocupar un byte. Por lo tanto, ha de ser basicamente de tipo “char” o “byte”. Puede transmitir cadenas de caracteres porque las trata como una mera secuencia de bytes independientes uno tras otro.

Instrucciones para recibir datos del exterior

Serial.available(): devuelve el número de bytes –caracteres– disponibles para ser leídos que provienen del exterior a través del canal serie (vía USB o vía pines TX/RX). Si no hay bytes para leer, esta instrucción devolverá 0. No tiene parámetros.

Serial.read(): devuelve el primer byte aún no leído de los que estén almacenados en el buffer de entrada del chip TTL-UART. Al hacerlo, lo elimina de ese buffer. Para devolver (leer) el siguiente byte, se ha de volver a ejecutar Serial.read().

Serial.peek(): devuelve el primer byte aun no leído de los que estén almacenados en el buffer de entrada. No obstante, a diferencia de Serial.read(), ese byte leído no se borra del buffer, con lo que las próximas veces que se ejecute Serial.peek() –o una vez Serial.read()– se volverá́ a leer el mismo byte. Si no hay bytes disponibles para leer, Serial.peek() devolverá́ -1. Esta instrucción no tiene parámetros.

Serial.find(): lee datos del buffer de entrada (eliminándolos de allí) hasta que se encuentre la cadena de caracteres (o un carácter individual) especificada como parámetro, o bien se hayan leído todos los datos actualmente en el buffer. La instrucción devuelve “true” si se encuentra la cadena o “false” si no.

Serial.findUntil(): lee datos del buffer de entrada (eliminándolos de allí) hasta que se encuentre la cadena de caracteres (o un carácter individual) especificada como primer parámetro, o bien se llegue a una marca de final de búsqueda (la cual es la cadena –o carácter– especificada como segundo parámetro). La instrucción devuelve “true” si se encuentra la cadena a buscar antes que la marca de final de búsqueda o “false” si no.

Serial.readBytes(): lee del buffer de entrada (eliminándolos de allí) la cantidad de bytes especificada como segundo parámetro (o bien, si no llegan suficientes bytes, hasta que se haya superado el tiempo especificado por Serial.setTimeout()) . En cualquier caso, los bytes leídos se almacenan en un array –de tipo “char[]”– especificado como primer parámetro. Esta instrucción devuelve el numero de bytes leídos del buffer (por lo que un valor 0 significa que no se encontraron datos validos).

Serial.readBytesUntil(): lee del buffer de entrada (eliminándolos de allí) la cantidad de bytes especificada como tercer parámetro, o bien, si se encuentra antes una cadena de caracteres –o carácter individual– especificada como primer parámetro que hace de marca de final, o bien, si no llegan suficientes bytes ni se encuentra la marca de final, hasta que se haya superado el tiempo especificado por Serial.setTimeout(). En cualquier caso, los bytes leídos se almacenaran en un array –de tipo “char[]”– especificado como segundo parámetro. Esta instrucción devuelve el numero de bytes leídos del buffer (por lo que un valor 0 significa que no se encontraron datos validos).

Serial.setTimeout(): tiene un parámetro (de tipo “long”) que sirve para establecer el numero de milisegundos máximo que las instrucciones Serial.readBytesUntil() y Serial.readBytes() esperaran a la llegada de datos al búfer de entrada serie. Si alguna de estas dos instrucciones no recibe ningún dato y se supera ese tiempo, el sketch continuará su ejecución en la línea siguiente. El tiempo de espera por defecto es de 1000 milisegundos. Esta instrucción se suele escribir en “void setup ()”. No tiene valor de retorno.

Serial.parseFloat(): lee del buffer de entrada (eliminándolos de allí) todos los datos hasta que se encuentre con un numero decimal. Su valor de retorno – de tipo “long”– será́ entonces ese numero decimal encontrado. Cuando detecte el primer carácter posterior no valido, dejará de leer (y por tanto, no seguirá́ eliminando datos del buffer). Esta instrucción no tiene parámetros.

Serial.parseInt(): lee del buffer de entrada (eliminándolos de allí) todos los datos hasta que se encuentre con un numero entero. Su valor de retorno –de tipo “long”– será́ entonces ese numero entero encontrado. Cuando detecte el primer carácter posterior no valido, dejará de leer (y por tanto, no seguirá́ eliminando datos del buffer). Esta instrucción no tiene parámetros.

Entradas y Salidas Digitales

Funciones para trabajar con entradas y salidas digitales

pinMode(): configura un pin digital (cuyo número se ha de especificar como primer parámetro) como entrada o como salida de corriente, según si el valor de su segundo parámetro es la constante predefinida INPUT o bien OUTPUT, respectivamente. Esta función es necesaria porque los pines digitales puedan actuar como entrada o salida, pero en nuestro sketch hay que definir previamente si queremos que actúen de una forma u de otra. Es por ello que esta función se suele escribir dentro de “setup()”

Si el pin digital se quiere usar como entrada, es posible activar una resistencia “pull-up” de 20 KΩ que todo pin digital incorpora. Para ello, se ha de utilizar la constante predefinida INPUT_PULLUP en vez de INPUT, ya que la constante INPUT desactiva explícitamente estas resistencias “pull-ups” internas.

digitalWrite(): envía un valor ALTO (HIGH) o BAJO (LOW) a un pin digital; es decir, tan solo es capaz de enviar dos valores posibles. Por eso, de hecho, hablamos de salida “digital”. El pin al que se le envía la señal se especifica como primer parámetro (escribiendo su número) y el valor concreto de esta señal se especifica como segundo parámetro (escribiendo la constante predefinida HIGH o bien la constante predefinida LOW, ambas de tipo “int”).

digitalRead(): devuelve el valor leído del pin digital (configurado como entrada mediante pinMode()) cuyo número se haya especificado como parámetro. Este valor de retorno es de tipo “int” y puede tener dos únicos valores (por eso, de hecho hablamos de entrada digital): la constante HIGH(1) o LOW (0). Si la entrada es de tipo INPUT, el valor HIGH se corresponde con una señal de entrada mayor de 3 V y el valor LOW con una señal menor de 2 V. Si la entrada es de tipo INPUT_PULLUP, al tener la entrada conectada una resistencia “pull-up”, las lecturas son al revés: el valor HIGH indica que no se recibe señal de entrada y el valor LOW que sí.

pulseIn(): pausa la ejecución del sketch y se espera a recibir en el pin de entrada especificado como primer parámetro la próxima señal de tipo HIGH o LOW (según lo que se haya indicado como segundo parámetro). Una vez recibida esa señal, empieza a contar los microsegundos que esta dura hasta cambiar su estado otra vez, y devuelve finalmente un valor –de tipo “long”– correspondiente a la duración en microsegundos de ese pulso de señal. De forma opcional, se puede especificar un tercer parámetro –de tipo “unsigned long”– que representa el tiempo máximo de espera en microsegundos: si la señal esperada no se produce una vez superado este tiempo de espera, la función devolverá 0 y continuará la ejecución del sketch. Si este tiempo de espera no se especifica, el valor por defecto es de un segundo.

Entradas y Salidas Analógicas

Funciones para trabajar con entradas y salidas analógicas

analogWrite(): envía un valor de tipo “byte” (especificado como segundo parámetro) que representa una señal PWM, a un pin digital configurado como OUTPUT (especificado como primer parámetro). No todos los pines digitales pueden generar señales PWM: en la placa Arduino UNO por ejemplo solo son los pines 3, 5, 6, 9, 10 y 11 (están marcados en la placa).

analogRead(): devuelve el valor leído del pin de entrada analógico cuyo numero (0, 1, 2...) se ha especificado como parámetro. Este valor se obtiene mapeando proporcionalmente la entrada analógica obtenida (que debe oscilar entre 0 y un voltaje llamado voltaje de referencia, el cual por defecto es 5 V) a un valor entero entre 0 y 1023. Esto implica que la resolución de lectura es de 5V/1024, es decir, de 0,049 V.

Uso de MotoresDC, Servo y Stepper

Motor DC Los motores DC (del ingles “Direct Current”, corriente

continua) son los más simples. Tienen dos terminales; cuando uno se conecta a una fuente de alimentación continua y el otro se conecta a tierra el motor gira en una dirección. Si se intercambia la conexión de los terminales (el que estaba conectado a tierra pasa a estar conectado a la fuente, y viceversa), el motor girará en la dirección contraria. Cuanta más intensidad de corriente atraviese el motor (es decir, cuanto más voltaje se le aplique, si suponemos su resistencia constante), girará a más velocidad de una forma casi linealmente proporcional.

En general, los motores DC realizan un consumo eléctrico bastante elevado para conseguir la velocidad de giro adecuada. Esto quiere decir que muchas veces el pin de “5 V” de nuestra placa Arduino no será́ suficiente, y el motor deberá́ ser alimentado a partir de una fuente externa, o bien mediante un amplificador de corriente (como un transistor).

Usualmente, los motores DC son capaces de girar hasta varios millares de rpms. No obstante, no tienen un torque demasiado elevado. Si se desea aumentar este, se puede conectar al motor un conjunto de engranajes (lo que se llama un “reductor” o “caja reductora”); el precio a pagar es la reducción de la velocidad máxima de giro. Los motores que incorporan este sistema son llamados motores “gearhead” o “gearmotors”.

Servo Motor Los servomotores –también llamados “servos”– son motores

“gearhead” (por tanto, motores DC con engranajes que limitan la velocidad pero aumentan el torque) que incorporan además un potenciómetro y cierta circuitería de control para poder establecer la posición del eje del motor de forma precisa. Es decir, su eje no gira libremente (como lo hace el de los motores DC) sino que rota un determinado ángulo, indicado a través de una señal de control. Lo que hace especial a un servo es, por tanto, que podemos ordenarle que gire una cantidad de grados concreta, cantidad que dependerá́ de la señal de control enviada en un momento dado por (por ejemplo) un microcontrolador programado por nosotros. Los servos son muy comunes en juguetes y otros dispositivos mecánicos pequeños (como por ejemplo el control de la dirección de un coche teledirigido), pero también sirven gestionar el movimiento de timones, pequeños ascensores, palancas, etc.

Los servomotores disponen normalmente de tres cables (a diferencia de los motores DC y “gearhead”, que tienen solo dos): uno para recibir la alimentación eléctrica (normalmente de color rojo), otro para conectarse a tierra (normalmente de color negro o marrón, según el fabricante) y otro (el cable de control, normalmente de color blanco, amarillo o naranja) que sirve para transmitir al servo, de parte del microcontrolador, los pulsos eléctricos –de una frecuencia fija de 50 Hz en la gran mayoría de servomotores– que ordenaran el giro concreto de su eje. El cable de alimentación ha de conectarse a una fuente que pueda proporcionar 5 V y al menos 1 A. El cable de tierra ha de conectarse lógicamente a la tierra común del circuito. El cable de control debe conectarse a algún pin digital de la placa Arduino, por el cual se enviaran los pulsos que controlaran el desplazamiento angular del eje. A diferencia de los demás motores DC, para cambiar el sentido de giro del eje de los servos no es necesario invertir la polaridad de su alimentación, por lo que no es necesario incluir ningún “puente H”.

Stepper Motor (Motor de pasos) Los motores “paso a paso” (en ingles, “stepper motors”)

se diferencian del resto de motores vistos anteriormente en que no giran continuamente, sino que lo hacen un numero de “pasos” muy concretos. Un paso es el movimiento mínimo que puede hacer de una vez el motor, y su magnitud es configurable: puede consistir en una rotación tan grande como 90 grados, o bien un movimiento angular tan pequeño como 2 grados, según lo que interese en cada momento. Como este diseño permite un control muy preciso de los movimientos del eje, estos motores son usados ampliamente en todo dispositivo donde la posición exacta del motor sea un requisito necesario, como por ejemplo impresoras, discos duros, etc.

Los motores paso a paso se mueven usualmente mucho más lentamente que los motores DC, ya que hay un limite máximo para la velocidad a la que se pueden ir dando los pasos, pero ofrecen mayor torque. De hecho, cuando están parados (pero siguen recibiendo alimentación eléctrica), los steppers ofrecen un torque muy elevado porque sus bobinas internas ejercen de freno, con lo que resulta muy difícil mover su eje.

El control del movimiento de los motores paso a paso se realiza aplicando cierto voltaje a sus bobinas (a través de los cuatro cables conectados en sus extremos respectivos), el cual ha de seguir un determinado patrón repetitivo. Según van recibiendo tensión o dejándola de recibir en cada paso de ese patrón, las bobinas crean los campos magnéticos adecuados para atraer o repeler los imanes del eje, causando así su rotación. Por tanto, mediante el patrón de corriente adecuado, podemos controlar el movimiento del motor al detalle.

Uso SensoresPosición y Distancia

Sensores de luz infrarroja (IR) Un fotodiodo es un dispositivo que, cuando es excitado por

la luz, produce en el circuito una circulación de corriente proporcional (y medible). De esta manera, pueden hacerse servir como sensores de luz, aunque, si bien es cierto que existen fotodiodos especialmente sensibles a la luz visible, la gran mayoría lo son sobre todo a la luz infrarroja.

Otro tipo de sensores de luz además de los fotodiodos son los llamados fototransistores, es decir, transistores sensibles a la luz (también normalmente infrarroja). Su funcionamiento es el siguiente: al incidir luz sobre su base, en ella se genera una corriente que lleva al transistor a un estado de conducción. Por tanto, un fototransistor es igual a un transistor común con la única diferencia de que la corriente de base Ib es dependiente de la luz recibida.

En muchos circuitos podemos encontrar un fototransistor a poca distancia de un LED emisor de infrarrojos de una longitud de onda compatible. Esta pareja de componentes es útil para detectar la interposición entre ellos de un obstáculo (debido a la interrupción del haz de luz) y actuar por tanto como interruptores ópticos. Se pueden utilizar en multitud de aplicaciones, como por ejemplo en detectores del paso de una tarjeta de crédito (en un cajero) o de la introducción del papel (en una impresora) o como tacómetros, entre muchas otras. Un tacómetro es un dispositivo que cuenta las vueltas por minuto que realiza un obstáculo sujeto a una rueda o aspa que gira (normalmente debido al funcionamiento de un motor); es decir, sirve para medir la velocidad de giro de un objeto.

El sensor QRD1114 en realidad no es más que un emisor de infrarrojos y un fototransistor bajo el mismo encapsulado, por lo que el principio de funcionamiento es similar a los sensores infrarrojos analógicos ya vistos: cuanta más distancia tenga el obstáculo, menos voltaje de salida obtendremos del sensor. Su característica más destacable es su rango de distancias, ya que solo es capaz de detectar objetos situados entre 0 y 3 cm de el. En realidad, este componente no está pensado para medir distancias exactas, sino tan solo para comprobar la proximidad de objetos por debajo de esos 3 cm.

Este sensor también se puede utilizar además para detectar superficies blancas y negras (por lo tanto, podría ser utilizado en la construcción de robots seguidores de líneas) ya que las superficies blancas reflejan más luz que las negras, obteniéndose por tanto lecturas mayores. No obstante, existe un sensor más especifico para realizar esta tarea concreta: el QRE1113.

Sensores Ultrasónicos (HCSR-04) Dispone de cuatro pines: “VCC” (se ha de conectar a una fuente de 5

V), “Trig” (responsable de enviar el pulso ultrasónico; por tanto, se deberá́ conectar a un pin de salida digital de la placa Arduino), “Echo” (responsable de recibir el eco de ese pulso; luego se deberá́ conectar a un pin de entrada digital de la placa Arduino) y “GND” (a tierra).

Esto lo consigue enviando un ultrasonido (es decir, un sonido de una frecuencia demasiado elevada para poder ser escuchado por el oído humano) a través de un transductor (uno de los cilindros que se aprecian en la figura lateral) y espera a que este ultrasonido rebote sobre un objeto y vuelva, retorno que es detectado por el otro transductor. El sensor devuelve el tiempo transcurrido entre el envió y la posterior recepción del ultrasonido. Como la velocidad de propagación de cualquier (ultra)sonido en un medio como el aire es de valor conocido (consideraremos que es de 340 m/s –o lo que es lo mismo, 0,034 cm/μs–, aunque esta sea solo una aproximación) este tiempo transcurrido lo podremos utilizar para determinar la distancia entre el sensor y el objeto que ha provocado su rebote.

Tiene un rango de distancias sensible entre 3 cm y 3 m con una precisión de 3 mm.

Su funcionamiento : tras emitir por el pin “trigger” una señal de 10 μs para iniciar el envió de la señal ultrasónica, espera a detectar el eco mediante la detección del fin de la señal HIGH recibida por el pin “echo”.

Protocolos de comunicación I2C y SPI

Protocolo I2C I2C (Inter-Integrated Circuit, también conocido con

el nombre de TWI –de “TWo-wIre”, literalmente “dos cables” en inglés–): es un sistema muy utilizado en la industria principalmente para comunicar circuitos integrados entre sí. Su principal característica es que utiliza dos líneas para transmitir la información: una (llamada línea “SDA”) sirve para transferir los datos (los 0s y los 1s) y otra (llamada línea “SCL”) sirve para enviar la señal de reloj. En realidad también se necesitarían dos líneas más: la de alimentación y la de tierra común, pero estas ya se presuponen existentes en el circuito.

Protocolo SPI SPI (Serial Peripheral Interface): al igual que el

sistema I2C, el sistema de comunicación SPI es un estándar que permite controlar (a cortas distancias) casi cualquier dispositivo electrónico digital que acepte un flujo de bits serie sincronizado (es decir, regulado por un reloj). Igualmente, un dispositivo conectado al bus SPI puede ser “maestro” –en ingles, “master” – o “esclavo” –en inglés, “slave“–, donde el primero es el que inicia la transmisión de datos y además genera la señal de reloj (aunque, como con I2C , con SPI tampoco es necesario que el maestro sea siempre el mismo dispositivo) y el segundo se limita a responder.