Tema: Introducción a la Plataforma Arduino

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1 Facultad: Ingeniería Escuela: Electrónica Asignatura: Interfaces y Periféricos Tema: Introducción a la Plataforma Arduino Objetivos Específicos. Conocer la plataforma de hardware libre Arduino 2. Desarrollar aplicaciones mediante sketches 3. Conectar el Arduino a la PC mediante la interfase USB y comunicarlos serialmente 4. Utilizar la terminal serie para comunicarse con el dispositivo Material y Equipo No Cantidad Descripción varios Una computadora con sistema operativo Windows y con el programa Arduino IDE instalados Cable USB (tipo A hacia tipo B) Tarjeta Arduino UNO R2 o R3 Resistencias de 4.7kΩ LEDs Botones pulsadores Breadboard Pinza Cortadora Cables UTP Introduccion Teorica El proyecto Arduino, de origen italiano, pertenece a un movimiento denominado hardware de código abierto (open source hardware), en el cual sus participantes plantean que así como existe el software libre, el cual es compartido a nivel de código fuente para poder ser modificado, deberían existir también plataformas de hardware con la misma filosofía, donde se comparten los detalles de los diagramas de circuito para que los usuarios puedan introducir sus propias modificaciones. La plataforma Arduino es lo que se conoce como un entrenador de microcontrolador (pequeñas computadoras contenidas en un solo circuito integrado), para la cual hace uso de

2 2 Interfaces y Periféricos, Guía 2 herramientas de software en PC para su programación. De tal forma que la programación del Arduino puede realizarse en un lenguaje de alto nivel como lo es C++, permitiendo manipular elementos de hardware externos con relativa facilidad, pues tanto el hardware como el entorno de desarrollo de software han sido diseñados considerando la facilidad de uso como una prioridad. La tarea de compilación de programas en Arduino es llevada a cabo mediante una versión modificada de gcc (el compilador de C usado en GNU/Linux) la cual ha sido adaptada especialmente para poder generar programas específicamente para el microcontrolador AVR que posee el Arduino. La invocación de dicho compilador es automática, bastando solamente con hacer un click para compilar los programas. Por tanto, la plataforma Arduino es un proyecto tanto de software libre como de Hardware abierto, donde los autores hacen de conocimiento público todos los detalles de su implementación, ayudándose asimismo de otros proyectos de software libre para su creación. Puede encontrarse toda la información pertinente a la plataforma, así como descargar el software de desarrollo en el sitio web: Plataforma de hardware del Arduino. El Arduino consta de una tarjeta de circuito relativamente pequeña, que incluye todos los componentes básicos que requiere el microcontrolador, así como de una interfase USB que le permite conectarse a una PC para poder descargar los programas y proveer suministro eléctrico. Asimismo, el Arduino cuenta con la opción de alimentarse mediante un jack de 5mm, al cual puede conectarse un transformador de pared que tenga una salida de tensión entre 7 y 2V DC. Figura. Tarjeta del circuito de Arduino UNO El Arduino cuenta con un total de 4 pines (numerados del 0 al 3) con capacidad de entrada y salida digital, así como de 6 pines (numerados del A0 al A5) con capacidad de entrada analógica y también de entrada y salida digital. Adicionalmente, 6 de los pines digitales (denotados con un símbolo ~) permiten realizar

3 3 salida analógica por medio de modulación de ancho de pulso (también conocida como PWM), mientras que 2 pines (denominados como TX y RX) permiten la comunicación serial mediante el puerto USB o bien hacia un dispositivo externo. Aparte de los pines de entradas y salidas, el Arduino cuenta con varios pines que permiten compartir su fuente de suministro hacia circuitos externos. Es así, que cuenta con un total de 3 conexiones de tierra (de las cuales al menos una debe ser conectada al tierra del circuito externo), una salida de 5V y una salida de 3.3V. Finalmente, existen 3 pines adicionales que son: AREF (Referencia analógica), Vin (voltaje de entrada sin regular), y RESET (reinicio), cuya función no es fundamental para la operación del Arduino y que por tanto no se verán en esta guía introductoria. Estructura de los programas de Arduino. Un programa de Arduino (conocido en inglés como sketch), usa primordialmente la sintaxis de C/C++ para definir todas las operaciones que llevara a cabo el microcontrolador, con la diferencia de que los programas no hacen uso de la función main() para especificar su inicio, sino más bien se utilizan otras dos funciones: void setup() Esta función es la primera que se ejecuta cuando el Arduino da inicio al programa, y es efectuada una sola vez. Su propósito es llevar a cabo todas las tareas de inicialización (como la configuración de los pines) antes que inicie el programa principal. void loop() Esta otra función es ejecutada tras terminar la función setup(), y en caso que loop() termine, esta es re-ejecutada continuamente por el Arduino hasta que se reinicie, se reprograme o se apague el suministro. Su propósito es llevar a cabo el programa principal mientras el Arduino permanezca operando. Nótese que el Arduino, a diferencia de una computadora personal, no cuenta con un sistema operativo al cual retornar en caso que los programas terminen. Por tanto los programas tienen que ser ejecutados de manera permanente mientras el sistema cuente con suministro eléctrico. Sin embargo, si el usuario así lo desea, puede detener la ejecución del programa por medio de atraparlo en un lazo infinito. Sentencias como for(;;); o bien while(){ pueden ser usadas en ese caso. Nota: La introducción teórica no pretende ahondar más en los detalles de la sintaxis del lenguaje C/C++, por lo que se recomienda al estudiante que consulte otros libros o documentación referentes al tema. El resto de la introducción se enfocará más en los detalles que se refieren al uso de periféricos externos que al lenguaje en sí. Funciones de acceso y configuración de entradas y salidas digitales. Una de las bondades de la plataforma Arduino es que los detalles de implementación del hardware son abstraídos mediante funciones especiales de acceso, liberando al programador de la tarea de manejar la complejidad del mismo. Existen diferentes funciones de acuerdo a la clase de hardware con que se interactúa, de las cuales las que se presentan a continuación son las referentes a las entradas y salidas digitales: pinmode(numero_pin, modo): Permite establecer la modalidad de los pines ya sea

4 4 Interfaces y Periféricos, Guía 2 como entradas o como salidas. Los nombres de pines validos son los números del 0 al 3 y los pines analógicos del A0 al A5, mientras que los modos válidos son INPUT (entrada) y OUTPUT (salida). Nótese que si se configuran los pines del A0 al A5 con esta función, los mismos se pueden usar como cualquier otra entrada o salida digital. digitalread(numero_pin): Efectúa la lectura de un pin digital que haya sido configurado como entrada, devolviendo su valor lógico ya sea como la constante LOW (0) o la constante HIGH (). digitalwrite(numero_pin, valor): Efectúa la escritura sobre un pin digital que haya sido configurado como salida. El valor puede especificarse como la constante LOW (0) o la constante HIGH (). Procedimiento Parte I Descarga de programas en el Arduino.. Conecte la tarjeta de circuito del Arduino a su PC mediante el cable USB provisto (no conecte ningún componente externo aún). Inicie el entorno de desarrollo de Arduino haciendo doble click sobre el archivo ejecutable llamado arduino.exe. Su docente dará indicaciones de la ubicación del programa en caso de ser necesario. Figura 2. Descripción de los elementos del entorno de desarrollo de software Arduino 2. Proceda a configurar el Arduino IDE para que trabaje con su hardware. Acceda al menú Tools->Board y asegúrese que se encuentra seleccionada la tarjeta Arduino Uno. Asimismo, asegúrese que se encuentra seleccionado el puerto serie correcto en el menú Tools->Serial Port (el número correcto de puerto dependerá de si ya existen otros puertos seriales definidos en la PC).

5 5 3. A continuación haga click en el botón de abrir sketch de la barra de herramientas, y abra el demo llamado blink en la categoría basics. A continuación se desplegará un programa simple en la pantalla. 4. Para correrlo, haga click en el botón de subir el sketch en la barra de herramientas. El programa compilará automáticamente el código fuente en pantalla y procederá de inmediato a programarlo en el hardware. 5. Estudie lo que hace el programa y verifique el LED rotulado como L en la tarjeta de circuito. Como podrá apreciar en el programa, el LED se encuentra físicamente conectado al pin 3 del Arduino. 6. Modifique su sketch de tal manera que el LED parpadee más rápido. Pruebe con retardos de 00 milisegundos y suba nuevamente el programa usando el botón de la barra de herramientas. 7. Desconecte el Arduino del puerto USB y espere unos breves segundos. Reconecte el Arduino nuevamente y observe lo que hace la tarjeta. Que puede concluir al respecto? Parte II Manejo de salidas digitales. 8. Con el Arduino desconectado del puerto USB proceda a ensamblar el circuito de la figura 3 en una breadboard. Asegúrese de unir el tierra proveniente de su circuito con uno de los pines de tierra del Arduino. Note también que para este circuito no necesita una fuente externa. Figura 3. Diagrama de circuito para la parte 2 9. Con el circuito correctamente armado, proceda a conectar el cable USB al Arduino, y suba el siguiente sketch: void setup() { //Configura los pines con los LEDs como salidas pinmode(2, OUTPUT); pinmode(3, OUTPUT);

6 6 Interfaces y Periféricos, Guía 2 pinmode(4, OUTPUT); pinmode(5, OUTPUT); //Inicializa el puerto serie Serial.begin(9600); void loop() { //Verifica si se han recibido datos if (Serial.available() > 0) { //Si existen datos, comprueba de cual se trata, y enciende //o apaga un LED acordemente switch(serial.read()) { case '': digitalwrite(2, HIGH); break; case '2': digitalwrite(2, LOW); break; case '3': digitalwrite(3, HIGH); break; case '4': digitalwrite(3, LOW); break; case '5': digitalwrite(4, HIGH); break; case '6': digitalwrite(4, LOW); break; case '7': digitalwrite(5, HIGH); break; case '8': digitalwrite(5, LOW); break; Listado. Sketch para la parte 2. 0.Una vez descargado el sketch en el Arduino, abra el monitor serial desde el botón respectivo en la barra de tareas. Figura 4. Ventana de terminal de Arduino IDE

7 7. Digite el número en la linea de entrada y presione la tecla Enter o bien haga click en send. El LED conectado al pin 2 deberá encenderse inmediatamente. Pruebe con los números del al 8 y verifique las acciones que efectúan. 2. Pruebe también encender o apagar simultáneamente varios LEDs enviando mensajes como 357 o bien 2468, note que si bien los datos son enviados uno tras otro, el Arduino los procesa tan rápido que parece que se encienden o se apagan simultáneamente. 3.Notifique a su docente que ha terminado esta parte para que le evalúe. Parte III Lectura de entradas digitales. 4.Una vez más, con el cable USB desconectado, proceda a armar el circuito de la figura 5. Procure tomar suministro de los mismos conectores de 5V y tierra que se incluyen en tarjeta de circuito del Arduino, ya que se aprovechará el suministro de 5V que otorga el bus USB de la computadora. Nota: No conecte la fuente de laboratorio de 5V a su circuito. Figura 5. Diagrama de circuito para la parte Con el circuito correctamente armado, conecte nuevamente el cable USB y suba el siguiente sketch: void setup() { //Configura los pines conectados a los botones como entradas pinmode(9, INPUT); pinmode(0, INPUT); pinmode(, INPUT); pinmode(2, INPUT); //Inicializa el puerto serie Serial.begin(9600);

8 8 Interfaces y Periféricos, Guía 2 void loop() { //Envia el estado de cada uno de los botones Serial.print(digitalRead(9)); Serial.print(digitalRead(0)); Serial.print(digitalRead()); Serial.print(digitalRead(2)); //Envia un final de linea Serial.print("\n"); //Produce un breve retardo entre envios delay(000); Listado 2 Sketch para la parte Una vez subido el sketch al Arduino, abra nuevamente el monitor serial. 7. En esta ocasión, notará que en la pantalla aparecen datos de forma periódica y automática. Active los botones conectados a los pines de entrada y verifique su operación. Note que si activa simultáneamente varios botones, el estado de los mismos aparece sin problemas en la pantalla. 8.Notifique a su docente que ha terminado esta parte para que le evalúe. Análisis de Resultados. Que ocurre con el programa almacenado en el Arduino cuando se interrumpe el suministro eléctrico? 2. Que debería ocurrir en el programa de la segunda parte si se envían datos que no sean los números del al 8? Investigación Complementaria. Determine cómo se puede hacer para agregar entradas adicionales en el sketch de la tercera parte. 2. En caso que se necesite comunicación bidireccional simultánea, Que estructura debería poseer el programa? Y Cual sería la estrategia de solución? 3. Investigue acerca de las variantes que existen de la plataforma Arduino que son producto de la apertura de la plataforma. Bibliografía Sitio web de los desarrolladores: Referencia en línea del lenguaje: Massimo Banzi, Getting started with Arduino O'Reilly Media / Make Publisher, Marzo 2009, ISBN:

9 9 Hoja de cotejo: 2 Guía 2: Introducción a la Plataforma Arduino Alumno: Maquina No: Docente: GL: Fecha: EVALUACION % Nota CONOCIMIENTO 25% Conocimiento deficiente de los fundamentos teóricos Conocimiento y explicación incompleta de los fundamentos teóricos Conocimiento completo y explicación clara de los fundamentos teóricos APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO 70% No Terminó completamente el programa y comentó mal el código (30%) No realizó el circuito correctamente (40%) Terminó completamente el programa pero los comentarios no estaban del todo correctos El circuito funcionó Terminó completamente el programa con sus comentarios correctos El circuito funcionó ACTITUD 2.5 % Es un observador pasivo. Participa ocasionalmente o lo hace constantemente pero sin coordinarse con su compañero. Participa propositiva e integralmente en toda la práctica. 2.5 % Es ordenado; pero no hace un uso adecuado de los recursos Hace un uso adecuado de los recursos, respeta las pautas de seguridad; pero es desordenado. Hace un manejo responsable y adecuado de los recursos conforme a pautas de seguridad e higiene. TOTAL 00 %