INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN ENGINEERING KICKSTART

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN ENGINEERING KICKSTART 1

2 Introducción a la Programación Everybody in this country should learn to program a computer... because it teaches you how to think -Steve Jobs Qué es programación? Es el procedimiento utilizado para comunicarse con la computadora. Es el proceso de escribir una serie de instrucciones para que la computadora las interprete y pueda llevar a cabo lo que se le solicita mediante ellas. Saber programar no es conocer un lenguaje de programación, sino aprender a hablarle a una computadora a través de un algoritmo que sepa entender y ejecutar para resolver un problema o realizar una tarea. Antes de comenzar a programar es necesario tener claros los siguientes conceptos: Instrucciones Variables Funciones Estructuras de control Programa Instrucciones Son utilizadas para expresar a la computadora las acciones y operaciones que se necesitan llevar a cabo para realizar una tarea y obtener el resultado deseado. Al orden en que se ejecutan las instrucciones le llamamos flujo de ejecución. Variables Espacio que nos proporciona la computadora en la memoria, para almacenar un dato cambiante con el que posteriormente se necesitará trabajar. Se le asigna un nombre simbólico para facilitar su acceso. Dicho de otra manera, una variable es una referencia a un dato guardado en memoria. Funciones Conjunto de instrucciones al que se le asigna un nombre para hacer referencia a ellas, dichas instrucciones se ejecutan únicamente si se les manda a llamar a través del nombre (etiqueta) establecido. Son reglas definidas que nos dicen cómo producir o generar datos a partir de otros (que serían los parámetros de la función). Estructuras de Control Son instrucciones u operaciones que alteran el orden natural (secuencial) de la ejecución de las instrucciones de un algoritmo (set de pasos a seguir para resolver un problema). Entre ellas encontramos: 2

3 Condicionales Plantean una pregunta de verdadero o falso, evaluando de esta manera una condición y dependiendo de la respuesta ejecuta el conjunto de instrucciones apropiado. Iterativas Ejecutan repetidamente una porción de instrucciones hasta que se indique lo contrario. Por lo general utilizan una condición, si es verdadera se itera (repite), si es falsa se detiene y continúa con el flujo normal de ejecución. Ahorra trabajo ya que se evita tener que escribir un bloque de instrucciones varias veces. Cuando hablamos de algo que se repite constantemente dada una condición nos topamos también el concepto de recursividad. Algo recursivo es algo que se manda a llamar a sí mismo. En programación se da cuando una función se manda a llamar a sí misma dentro del bloque de instrucciones que ejecuta. Tanto en recursividad como en iteración se realiza una repetición, la diferencia está en que en la iteración repite el cuerpo de un ciclo (un conjunto de instrucciones) y la recursión repite las llamadas a la función recursiva. Programa Es un conjunto de instrucciones, variables, funciones y estructuras de control que van a dictar el comportamiento de un sistema computacional, con el fin de solucionar un problema o realizar una tarea mediante el manejo de procesos, que a su vez manipulan datos y nos proporcionan un resultado. En conclusión una computadora realizará únicamente lo que nosotros le indiquemos. La computadora no es inteligente, es nuestra tarea indicarle Qué hacer? Cómo hacerlo? y Cuándo hacerlo?. Por ello es sumamente importante organizar nuestras ideas para luego convertirlas en instrucciones entendibles a la computadora (en un lenguaje de programación) y que ésta proceda a ejecutarlas brindando el resultado deseado. Para que todo sea un éxito a la hora de programar podemos resumir el procedimiento en los siguientes pasos: 1. Entender el problema 2. Ordenar nuestras ideas y pensar el algoritmo adecuado para resolver el problema 3. Traducir algoritmo a un conjunto de instrucciones de un lenguaje de programación 4. Ejecutar el programa en la computadora 3

4 PROGRAMANDO CON ARDUINO ENGINEERING KICKSTART 4

5 Programando con Arduino Qué es Arduino? Es una plataforma de software y hardware libre, es decir que ofrece al usuario la libertad de uso, estudio y modificación del mismo. Ofrece un entorno de desarrollo práctico y fácil de usar. El hardware consta de una placa con un microcontrolador (circuito electrónico capaz de ejecutar un programa almacenado en su memoria) y diversos puertos de I/O (entrada/salida). El Board de Arduino Existen varios modelos de las tarjetas de Arduino, varían unos con otros dependiendo del microcontrolador incorporado en la placa, voltajes y frecuencias con los que se trabajan, la cantidad de pines de entrada/salida, la capacidad de la memoria flash y la interfaz de programación. En esta ocasión, para describir el entorno de desarrollo se considera la Arduino Uno R3 que trabaja con un microcontrolador ATmega328, una frecuencia de 16MHz, memoria flash de 32KB y opera con un voltaje de 5V (Figura 1). Figura 1 1. Pines I/O digitales 14 pines de entrada/salida de datos digitales (0 al 13), 6 de ellos pueden utilizarse para PWM identificados con ~ (3, 5, 6, 9, 10 y 11). Los pines 0 y 1 utilizados para puerto serial (RX para recibir datos y TX para transmitir datos). 5

6 2. Pines de entrada analógica 6 pines de entrada de datos analógicos (A0, A1, A2, A3, A4 y A5) utilizados para introducir cierto voltaje a la placa. 3. Barra de energía y tierra proporciona fuente de energía para la conexión de dispositivos externos. 4. AREF y GND que son la terminal de referencia analógica y tierra digital (tierra que corresponde al uso de los pines digitales, esto para que la naturaleza de las señales digitales no altere a las señales analógicas) respectivamente. 5. Conexión USB para conectar la tarjeta Arduino a la computadora, utilizado para cargar los programas a la tarjeta y/o como fuente de alimentación para la misma. 6. Fuente de alimentación externa voltaje entre 7V y 12V (funcionamiento sin necesidad de conexión a la computadora). 7. Reset botón capaz de reiniciar la ejecución del programa previamente cargado en la tarjeta. 8. Microcontrolador ATmega328 es el encargado de controlar el funcionamiento de la placa. Lenguaje de Programación El microcontrolador se programa mediante el lenguaje de programación Arduino basado en Processing (que a su vez se basa en C/C++). A cada uno de los programas, conjunto de instrucciones que se cargan y ejecutan en la tarjeta, escritos en dicho lenguaje se le denomina sketch. Componentes principales de un sketch Estructura todo sketch debe contar con dos métodos principales: setup() que es el que contiene la inicialización y configuración de variables, pines y librerías que se van a utilizar. Se ejecuta una sola vez al encenderse la tarjeta Arduino o al presionar el botón de reinicio. loop() contiene un bloque de instrucciones que va a ser ejecutado repetidamente, se utiliza para variar el comportamiento de un programa y responder a los distintos eventos permitiendo la interacción con el usuario. Valores variables y constantes, declaradas al inicio del programa. Funciones aplicadas a los pines digitales y analógicos, para hacer uso de matemáticas, trigonometría o comunicación serial. Nota: El uso de comentarios a la hora de programar facilitan el entendimiento del código, en especial cuando trabajamos con un grupo de personas. Los comentarios son ignorados en el proceso de ejecución de las instrucciones de un programa y se utilizan generalmente para explicar Qué hace un programa? Cómo lo hace? o Por qué de esa manera?. Pueden realizarse comentarios cortos de una sola línea ( // ) o comentarios multilínea ( /* y */ ). Ejemplos: /* Este es un ejemplo // Este es un comentario corto de un comentario multilínea */ 6

7 Entorno de Desarrollo Un IDE (Integrated Development Environment - Entorno de Desarrollo Integrado) es un programa que brinda a los programadores un ambiente de desarrollo agradable y en el caso de Arduino facilidad para cargar los programas a la tarjeta. Vale la pena resaltar los cinco componentes principales que el IDE de Arduino nos proporciona (Figura 2). Figura 2 1. Barra de menú que proporciona opciones y herramientas para crear y editar los programas, seleccionar el puerto de comunicación con la tarjeta Arduino y la versión de la misma entre otras. 2. Editor de texto aquí es donde escribimos nuestro código. 3. Botones de acceso rápido o barra de herramientas, son atajos a las opciones utilizadas con mayor frecuencia en la barra de menú. 4. Área de mensajes muestra notificaciones como: compilación del programa y carga del mismo a la tarjeta. 5. Consola muestra el detalle de las notificaciones del área de mensajes. Primer Sketch - Hola Mundo - Ya cubrimos la terminología básica de programación y Arduino, es hora de realizar nuestro primer programa. El sketch más sencillo es hacer parpadear un led. Para ello vamos a construir el circuito que se muestra en la Figura 3. 7

8 Figura 3 Haremos uso del siguiente código para indicarle al microcontrolador de la tarjeta qué debe de realizar y cómo debe de manejar los pines. Primero indicamos que utilizaremos el pin número 13 para el led, en el método de configuración señalamos que será un pin de salida ya que vamos a darle información al usuario a través de éste (si queremos recibir algo del usuario diríamos que es una entrada) y finalmente dentro de nuestro ciclo infinito nos encargamos de hacer que el led se encienda (HIGH) y apague (LOW). 8

9 Funciones utilizadas Función Descripción Sintaxis Parámetros Qué devuelve? pinmode() digitalwrite() delay() Otras funciones Se encarga de configurar el pin establecido como entrada o salida según sea necesario Escribe HIGH (5V o 3.3V) o LOW (0V - tierra) en un pin digital Pausa el programa el tiempo establecido en milisegundos pinmode(pin,modo) digitalwrite(pin,valor ) delay(milisegundos) - pin: A qué pin? - modo: Entrada o salida? - pin: A qué pin? - valor: HIGH o LOW - milisegundos: número que representa el tiempo de espera Función Descripción Sintaxis Parámetros Qué devuelve? digitalread() analogread() analogwrite() delaymicroseconds() Serial Se encarga de leer el valor de un pin digital Lee el valor de un pin analógico, este valor es un número entre 0 y 1023 que hace referencia a tensiones de voltaje entre 0 y 5V Escritura de valores analógicos exclusivamente para PWM Pausa el programa el tiempo establecido en milisegundos Comunicación serial para envío y recepción de datos digitalread(pin) - pin: De qué pin? HIGH o LOW analogread(pin) - pin: De qué pin? - pin: A qué pin? - valor: ciclo de trabajo entre 0 analogwrite(pin,valor) delay(microsegundos ) Se le aplican funciones como: begin(), end(), read(), print() (siempre apagado) y 255 (siempre encendido) - microsegundos: número que representa el tiempo de espera Número entero entre 0 y 1023 Depende de la función aplicada Además de las funciones básicas, las librerías nos proporcionan otras funcionalidades para manipular distintos tipos de hardware, sensores y actuadores (luces y motores). Algunas vienen incluidas en el software de Arduino como las librería Servo, Matrix y Stepper. 9