Diseño Electrónico con Microcontroladores 01 - Introducción a Arduino

Transcripción

1 Diseño Electrónico con Microcontroladores 01 - Introducción a Arduino Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado Colaboradores: Dr. Alejandro García Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna Universidad de Sonora luis.garcia@difus.uson.mx 27 de junio de 2018 Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27(UNISON) de junio de / 36

2 Índice de la Presentación 1 Introducción a Arduino 2 Instalación y Puesta a Punto del Sistema Arduino Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27(UNISON) de junio de / 36

3 Sección 1 Introducción a Arduino Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27(UNISON) de junio de / 36

4 Introducción Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27(UNISON) de junio de / 36

5 Introducción Arduino puede ser utilizado para: 1 Monitorear una enorme variedad de sensores analógicos y digitales 2 Controlar servomotores de corriente directa y alterna 3 Aplicaciones con robots móviles e industriales 4 Comunicación Wi Fi, Bluetooth, Ethernet 5 Comunicarse con paquetes como LabVIEW y MATLAB Motores a pasos Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27(UNISON) de junio de / 36

7 Introducción La plataforma Arduino se distingue por las siguientes características técnicas: Mantiene compatibilidad con los sistemas operativos: Windows, Mac OSX y Linux. El software de arduino tiene licencia libre. Arduino puede ser mejorado y ampliarse a través de la incorporación de librerías en los lenguajes C y C++; para profundizar en los detalles técnicos del sistema, es posible programar en lenguaje AVR, en el que está basado y combinarlo con C y C++. Los diagramas esquemáticos y módulos de componentes están publicados, por lo que diseñadores de sistemas electrónicos pueden realizar su propia versión del módulo. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27(UNISON) de junio de / 36

9 Sistema en Tiempo Real Sistema en Tiempo Real Un sistema en tiempo real (STR) es aquel sistema digital que interactúa activamente con un entorno con dinámica conocida en relación con sus entradas, salidas y restricciones temporales, para darle un correcto funcionamiento de acuerdo con los conceptos de predictibilidad, estabilidad, controlabilidad y alcanzabilidad. Sistema Rápido En contraste con la definición de STR, un sistema rápido produce su salida sin considerar las restricciones de tiempo del ambiente con que interactúa, para esa clase de sistemas no es importante el tiempo en el cual los datos llegan al sistema digital sino solamente el tiempo en que la salida es producida, en otras palabras únicamente interesa la rapidez de dar la respuesta dentro del intervalo de tiempo cuya medida, entre más pequeña es mejor, sin importar el costo de generar esa respuesta. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27(UNISON) de junio de / 36

10 Sistema Empotrado Sistema Empotrado Un sistema empotrado (anglicismo de embedded: integrado, incrustado) es un sistema de computación diseñado para realizar una o algunas pocas funciones dedicadas, frecuentemente en un sistema de computación en tiempo real. Al contrario de lo que ocurre con las computadoras de propósito general que están diseñadas para cubrir un amplio rango de necesidades, los sistemas empotrados se diseñan para cubrir necesidades específicas En un sistema empotrado la mayoría de los componentes se encuentran incluidos en la placa base (tarjeta de vídeo, audio, módem, etc.) y muchas veces los dispositivos resultantes no tienen el aspecto de lo que se suele asociar a una computadora Algunos ejemplos de sistemas empotrados podrían ser dispositivos como: un taxímetro, un sistema de control de acceso, la electrónica que controla una máquina expendedora o el sistema de control de una fotocopiadora entre otras múltiples aplicaciones. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

11 Sistema Empotrado Por lo general los sistemas empotrados se pueden programar directamente en el lenguaje ensamblador del microcontrolador o microprocesador incorporado sobre el mismo, o también, utilizando los compiladores específicos, pueden utilizarse lenguajes como C o C++. En algunos casos, cuando el tiempo de respuesta de la aplicación no es un factor crítico, también pueden usarse lenguajes interpretados como JAVA. Los sistemas empotrados suelen usar un procesador relativamente pequeño y una memoria pequeña para ello. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

12 Sistema Empotrado Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

17 Sistema Empotrado Arduino Además de la tarjeta electrónica, el sistema Arduino está compuesto por un ambiente de programación (IDE) orientado al desarrollo de programas llamados sketch. IDE significa Integrated Development Environment (Entorno de Desarrollo Integrado). Sketch es un nombre técnico específico del sistema Arduino para representar a los programas que se desarrollan en su ambiente de programación, cuya ejecución se lleva a cabo en la tarjeta Arduino. Otros ambientes de programación utilizan nombres característicos para denotar a sus propios programas como es el caso de scripts para MATLAB. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

18 Sistema Empotrado Arduino En el ambiente de programación se realiza la edición del sketch, compilación y depuración de errores de sintaxis, así como la generación automática del código de máquina del correspondiente tipo de microcontrolador, para después descargarlo a la tarjeta electrónica. La ejecución del sketch es realizada por el microcontrolador. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

19 Sección 2 Instalación y Puesta a Punto del Sistema Arduino Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

20 Instalación y Puesta a Punto del Sistema Arduino Ir a la dirección: para descargar la última versión del IDE de Arduino. Seleccionar el sistema operativo. Una vez que se haya descargado el archivo, se puede instalar. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

21 Ambiente de Programación Arduino El ambiente de programación (IDE) Arduino permite edición de programas, compilación, depuración de errores de sintaxis, así como la descarga del código máquina con las tarjetas electrónicas Arduino. También permite intercambiar información de datos o comandos por medio del puerto USB. En la figura se muestra el ambiente de programación de Arduino. En la parte superior se muestra el nombre del programa (sketch) generado y la versión del Software. Los nombres de los sketch por default se crean con la fecha en que son editados. La extensión del archivo es.ino (por Arduino). Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

22 Ambiente de Programación Arduino El IDE de Arduino es muy sencillo. Hay una barra de herramientas que puedes utilizar para: Verificar y compilar la sintaxis. Cargar el programa a la placa de Arduino. Crear un programa nuevo. Abrir un programa. Guardar el programa en el disco duro de la computadora. (En la parte derecha de la barra de herramientas se encuentra el Monitor Serial) abre una ventana de comunicación con la placa Arduino. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

23 Menú Archivo El menú Archivo contiene un conjunto de comandos para crear nuevos programas, abrir, guardar, guardar como e imprimir sketchs. Un aspecto importante es que el software de instalación ya viene con ejemplos que describen a detalle la forma de usar los puertos I/O, convertidores A/D, comunicación serial con la computadora, memoria, etc. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

24 Menú Archivo La opción Ejemplos contiene una colección interesante de ejemplos didácticos donde se muestra la forma de programación para diferentes aplicaciones. Es una poderosa herramienta documentada que proporciona una perspectiva amplia al usuario para llevar a cabo la implementación práctica de acondicionamiento, procesamiento y calibración de sensores analógicos y digitales, así como control de servomotores para robots móviles e industriales. El código fuente mostrado en cada uno de estos ejemplos sirve como base para extenderlo y adaptarlo para otras aplicaciones. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

25 Menú Archivo La ventana preferencias permite definir lo siguiente: Tamaño y tipo de letra del editor de texto. Usar editor de texto externo. Detectar la última versión disponible del software. Mostrar mensajes detallados durante la fase de compilación y descarga de código a la tarjeta. Asociar todos los archivos con extensión.ino con el IDE de Arduino. Definir la dirección donde se guardan los sketch. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

26 Menú Editar El menú Editar contiene funciones comunes de edición de programas tales como: Copiar, pegar, buscar/reemplazar y cortar texto. Insertar o quitar comentarios del lenguaje C/C++; los comentarios en un programa representan notas que facilitan la documentación del código. Modificar el tamaño del margen izquierdo en la consola de texto. Copiar el código del sketch para publicarlo en foros de comunidades Arduino o para subirlo a una página Web en formato HTML. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

27 Menú Programa El menú Programa verifica la sintaxis del código fuente del programa (sketch) de acuerdo con las reglas del lenguaje C. Cuando hay errores de sintaxis, en la zona de mensajes se indica la fuente o causa de error. También se tienen en este menú las opciones para cargar el programa en la tarjeta Arduino. La opción Incluir Librería permite colocar una librería en la cabecera del programa sketch para realizar una aplicación específica sobre un recurso de la tarjeta. Para añadir un programa fuente se emplea la opción Añadir fichero (Agregar archivo). Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

28 Menú Herramientas El menú Herramientas contiene las siguientes opciones: Auto Formato: Proporciona estética al código del sketch, distribuye adecuadamente la indentación entre las llaves de apertura { y cierre }. Archivo de programa: respalda la información de un programa en un directorio o localidad asignada por el usuario. Reparar codificación & Recargar: recarga de nuevo el sketch, preguntando antes al usuario si descarta los cambios o las modificaciones hechos sobre el programa. Monitor Serie: Es una interface de comunicación serial que permite enviar y recibir datos o información entre la tarjeta Arduino y la computadora en forma de cadenas de texto. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

29 Menú Herramientas Serial Plotter: Es una interfaz visual que permite graficar en tiempo real los datos numéricos enviados por el puerto serial. Placa: Se refiere al modelo de tarjeta electrónica Arduino que el usuario tiene conectada a la computadora por medio del puerto USB. El usuario debe seleccionar la placa que esté usando. Puerto: Es la conexión tipo USB de la computadora con la tarjeta Arduino. Se debe seleccionar el puerto al que está conectado la Placa Arduino. Programador: Permite seleccionar el tipo de hardware para programar una tarjeta sin usar la conexión USB. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

30 Menú Ayuda Las opciones del menú Ayuda representan un enlace directo al sitio Web donde se ofrece información y soporte del hardware, software, aspectos técnicos de programación de puertos, memoria y en general aplicaciones de las placas Arduino. Las opciones son: Inicio Rápido: Describe el procedimiento básico de instalación del software y puesta a punto de las tarjetas Arduino. Entorno: Es una guía básica sobre las funciones y características del entorno de programación. Problemas: Envía a una página de solución a preguntas comunes sobre problemas con los sketch y las tarjetas Arduino. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

31 Menú Ayuda Referencia: Es un compendio del lenguaje de programación Arduino, el cual incluye sintaxis, tipos de datos, instrucciones, operadores aritméticos y lógicos... Buscar en Referencia: Descripción específica de funciones o instrucciones de programación Arduino, para lo cual se requiere seleccionar el tipo de instrucción o función. Preguntas Más Frecuentes: Enlaza al sitio FAQ (Frequently Asked Questions) de Arduino, donde se da respuesta a un conjunto de preguntas comunes. Visita Arduino.cc: Enlaza directamente a la página oficial de Arduino Sobre Arduino: Describe el conjunto de personas que conforman el equipo de diseño y desarrollo de Arduino. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

32 Puesta a Punto Puesta a Punto La frase puesta a punto de un sistema significa comprobar que los comandos y herramientas del paquete, drivers y modelos de la tarjeta electrónica funcionan correctamente. Es decir, que el sistema se encuentra listo para desarrollar aplicaciones. Esto se comprobará mediante dos ejemplos. Ejemplo blink Entre los ejemplos más básicos se encuentra el programa blink, el cual hace uso de un puerto digital programado como salida para encender y apagar por intervalos de un segundo un LED. El tiempo de encendido y apagado puede ser modificado por el usuario. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

33 Puesta a Punto Ejemplo 1 (Blink). El procedimiento para ejecutar el ejemplo blink en Arduino es el siguiente: 1 Del menú Archivo seleccionar la opción Ejemplos/Basics/Blink. 2 Conectar la placa Arduino mediante el cable USB a la computadora. 3 En el menú Herramientas seleccionar la placa de Arduino que se esté utilizando y comprobar que el puerto serial correspondiente al Arduino esté habilitado. 4 Compilar y cargar el programa en la placa. Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

34 Puesta a Punto Ejemplo 1 (Blink). En la Figura?? se muestra la forma de conectar el LED que va a parpadear. Es importante conectar una resistencia (100 Ω 220 Ω) para limitar la corriente que pasa por el pin que enciende el LED. Figura 1: Conexión del LED para el ejemplo Blink Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

35 Puesta a Punto Ejemplo 2 (DigitalReadSerial). Este ejemplo consiste en leer la información digital de un interruptor y transmitirla a la computadora. Este programa estará transmitiendo constantemente a la computadora el estado del interruptor y se desplegará el dato por medio del monitor serial. Para ejecutar este ejemplo se necesita una resistencia de 330 Ω y un interruptor (push button). El ejemplo lo abrimos de los ejemplos de Arduino a través del menú Archivo y las opciones Ejemplos/Basics/DigitalReadSerial Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36

36 Puesta a Punto Ejemplo 2 (DigitalReadSerial). En la Figura?? se muestra la forma de conectar el interruptor (PB) y la resistencia. Para monitorear la información abrimos el monitor serial pulsando el icono de monitor serial. En caso de que se haya hecho una mala conexión y el Arduino se ponga en cortocircuito, el microcontrolador se protege y deja de funcionar. Para restaurarlo hay que corregir la conexión de los cables, desconectar el Arduino de la computadora y volver a conectar. Figura 2: Conexión del PB para el ejemplo DigitalReadSerial Responsable: Dr. Luis Arturo García Delgado, Colaboradores: Diseño Dr. Alejandro ElectrónicoGarcía con Microcontroladores Juárez y Dr. José Rafael Benito Noriega Luna 27 de (UNISON) junio de / 36