ARDUINO

1. Introducción

En esta unidad vamos a definir lo que es un microcontrolador y vamos a trabajar con una placa microcontroladora como es ARDUINO. Con está placa haremos una serie de prácticas guiadas por parejas y que nos van a permitir profundizar en este tipo de elemento.

2. Microcontroladores

Un microcontrolador es el cerebro de la mayoría de los aparatos y robots que nos rodean.

Un microcontrolador es un circuito integrado que consta de un microprocesador rodeado de las memorias de programa, RAM, circuitos de entrada y salida para comunicarse y/o controlar periféricos.

Un microcontrolador es un circuito integrado programable capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria. Está formado por varios bloques que cumplen una tarea especifica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres principales unidades funcionales de un ordenador: 

• Unidad Central de Procesamiento (CPU): Su trabajo es interpretar las instrucciones de un programa informático y garantizar que todas ellas se ejecutan. 

• Memoria: Se trata de la memoria de trabajo de un sistema informático. 

• Periféricos de Entrada/Salida: Se trata de dispositivos que permiten la entrada o salida de información desde el ordenador al exterior y viceversa. 

3. Arduino

Arduino es una plataforma de código abierto de prototipos electrónicos que se base en hardware y software. Son fáciles de usar y gracias a esto es posible que cualquier persona sea capaz de construir circuitos electrónicos y robots. 

Arduino es considerado una de las bases sobre las que empezar a trabajar en temas relacionados con robótica, ya que, por su simplicidad, permite adquirir conocimientos básicos para dar el paso posteriormente a tecnologías más complejas y completas. En la actualidad existen multitud de placas Arduino

Nosotros durante este trimestre vamos a trabajar con la Placa Arduino Uno R3. 

Pines Digitales

Los pines digitales son las conexiones digitales de los dispositivos conectados a la placa. La placa de Arduino cuenta con 14 pines digitales que van del pin 0 al pin 13.

Debemos saber que una señal digital solo puede tener dos estados (o valores):

• 0 (LOW, bajo, false): Indica cero voltios de tensión enviados desde la placa.

• 1 (HIGH, alto, true): Indica cinco voltios de tensión enviados desde la placa.

Por lo tanto, cuando ponemos un pin digital a valor HIGH, la placa suministra 5V de tensión por la salida que hayamos indicado, y si ponemos el valor LOW la placa suministrará 0V de tensión. Eso si, debemos tener en cuenta que los 5V no siempre son 5 ni los 0 siempre son 0).

Los pines digitales de Arduino pueden ser utilizados tanto de entrada como de salida.

Pines Analógicos

Los pines analógicos pueden medir un rango de valores de voltaje, a diferencia de los digitales que solo entienden dos valores: 0-1, o lo que es lo mismo, 0V o 5V.

Por lo tanto, con los pines analógicos vamos a poder leer valores intermedios entre 0V y 5V, representados con un valor comprendido entre 0 y 1023 (ya que la información se representa en números de 10 bits), y tambien vamos a poder escribir en los pines valores comprendidos entre 0 y 255, ya que la información se representa en números de 8 bits.

Nota: En el punto anterior hemos hablado sobre pines digitales, si te fijas en ellos en la placa, verás que aparecen algunos con un símbolo encima del número, ese símbolo significa que pueden ser utilizados tambien como pines analógicos. 

Pines para Alimentación de Sensores

Además de los pines de entrada y salida que hemos comentado anteriormente, Arduino dispone de pines que nos permiten alimentar componentes externos, concretamente uno con 5V y otro con 3,3 V. Además de los pines de tierra (GND).

Microcontrolador de Comunicaciones

El microcontrolador de Comunicaciones se encarga de gestionar las comunicaciones con todos los elementos que se conectan a la placa.

Microcontrolador de Programación

Este componente de la placa es el cerebro de la misma, es donde la placa almacena el programa que tiene que ejecutar. El microcontrolador de la placa se programa utilizando el IDE (Entorno de Desarrollo Integrado) de programación.

Botón Reset

El botón reset permite reiniciar el programa que se ha cargado en el microcontrolador interrumpiendo la ejecución actual. 

Puerto USB

El puerto USB es el puerto mediante el cual nos comunicaremos con la placa de Arduino. Sus funciones principales son:

• Alimentación.

• Cargar los programas en el microcontrolador.

• Envío de información desde la placa al ordenador.

Conector de Alimentación

Además, la placa dispone de un puerto de alimentación externo que nos permitirá hacer funcionar la placa sin utilizar un ordenador. Debemos tener en cuenta que NO podemos alimentar la  placa con más voltaje del que soporta, ya que podríamos dañarla. Lo recomendado es alimentarla entre 7V y 12V.

4. Tinkercad

Tinkercad es una aplicación o programa en línea que engloba diversas herramientas de diseño. Con Tinkercad puedes realizar:

• Diseño en 3D.

• Crear y simular circuitos electrónicos.

• Programación.

• Arduino. Permite la programación online de las placas Arduino en un simulador.

En este apartado explicaremos aquellos componentes que utilizaremos durante las actividades de este trimestre.

4.1 Alta de Usuario en Tinkercad

Para acceder a la herramienta debemos dirigirnos al siguiente enlace: https://www.tinkercad.com/, seguidamente pulsamos en el botón 'Únete Ya Mismo' tal y como vemos en la siguiente imagen.

A continuación seleccionamos la opción 'Crear una cuenta personal' tal y como vemos en la siguiente imagen. 

En la siguiente pantalla seleccionamos la opción 'Iniciar sesión con Google'. 

A continuación nos aparecerá la lista de cuentas de Google para que seleccionemos la nuestra. Posteriormente el sistema nos mostrará la siguiente pantalla donde debemos hacer click en el botón 'Continuar' para aceptar las condiciones de uso.  

Seguidamente el sistema ya nos da acceso al menú principal de Tinkercad. Nosotros trabajaremos durante este trimestre con la opción 'Circuitos' tal y como vemos en la siguiente imagen. 

Con este paso hemos finalizado el proceso de alta de usuario en la herramienta Tinkercad. 

4.2 Acceso a Tinkercad

Una vez que ya tenemos nuestro usuario en TinKercad, la próxima vez que queramos acceder tenemos que utilizar la opción de 'Iniciar Sesión' accediendo a la página principal de Tinkercad.

A continuación, la herramienta nos pregunta como queremos iniciar sesión y debemos utilizar siempre la opción 'Iniciar Sesión con Google' tal y como vemos en la siguiente imagen 

Y de esta forma ya debemos estar en el menú principal de la herramienta Tinkercad donde debemos seleccionar el menú de Circuitos que será con el que trabajemos en este bloque.

5. Elementos para las actividades

Vamos a mostrar a continuación los elementos que vamos a usar en las actividades a realizar con Arduino.

5.1 Componentes electrónicos comunes

En este apartado vamos a explicar el conjunto de componentes que necesitaremos utilizar en todas las actividades.

Placa Arduino

La placa Arduino la hemos explicado anteriormente. En cada una de las actividades se irán definiendo las conexiones en función del montaje que estemos llevando a cabo. 

Protoboard

La placa protoboard es una base de material aislante (plástico) con pequeños orificios para la inserción de los componentes electrónicos, de forma que estén unidos eléctricamente entre ellos, ya que en su interior estos orificios están conectados entre sí gracias a unas líneas de material conductor. 

Usar la placa protoboard es fácil, solo debemos tener en cuenta que hay líneas que funcionan como si todos los componentes estuvieran conectados en el mismo punto:

• Las dos líneas que se encuentran entre la línea pintada en azul y la línea roja actúan como si fuesen el mismo punto de conexión, es decir, cualquier componente que pinchemos en cualquiera de los orificios señalados sería como si estuviera conectado directamente a otro componente que estuviese pinchado en otro de los puntos de la misma base. 

Estas líneas azul y roja nos sirven para conectar en uno de sus extremos un cable con carga negativa y positiva respectivamente. De esta forma, el resto de orificios estarán tambien alimentados con carga negativa y positiva.

Concretamente nos referimos a las dos líneas señaladas en la siguiente imagen.

Por otro lado, debemos saber tambien que los orificios de la parte central de la placa están conectados eléctricamente de forma diferente a las líneas exteriores. En la imagen siguiente podemos ver los orificios a los que nos referimos iluminados en amarillo. 

Y cuidado, para conectar una mitad de la placa con la otra mitad, tendremos que hacer un "puente" de forma que conectemos cada una de las partes mediante un cable tal y como vemos en la siguiente imagen. 

Cable USB

Lo utilizaremos para pasar el programa desde el ordenador a la placa y para alimentar de corriente la placa.

Cables

Usaremos cables macho-macho o macho-hembra en función de lo que necesitemos durante las actividades planteadas.

Resistencias

Las resistencias son unos dispositivos que se oponen al paso de la corriente eléctrica cuando pasa a través de ellas, por lo tanto, antes de una resistencia y después de ella habrá una diferencia de carga eléctrica, siempre menor en la salida que en la entrada. 

De esta manera podemos proteger a otros dispositivos de ser atravesados por una corriente eléctrica mayor de la que pueden soportar y por lo tanto sufrir lo que se llama una sobrecarga.

Para saber qué resistencia será necesaria para proteger un determinado dispositivo necesitaremos conocer la intensidad máxima que puede soportar dicho dispositivo (I) y la tensión a la que va estar sometido (V). Conociendo dichos valores podemos calcular el valor de la resistencia (R) que debemos utilizar para proteger a nuestro dispositivo. Para calcularlo utilizamos la conocida LEY DE OHM (V=IxR):

R = V / I

Donde la resistencia (R) se mide en ohmios; la tensión (V) se mide en voltios; y la corriente o intensidad eléctrica (I) se mide en amperios.

Nota: Algo que debemos tener en cuenta es que NO existen resistencias comerciales para todos los valores óhmicos, por lo que tendremos que calcular y elegir la resistencia que más se aproxime al valor ideal de la actividad que estemos realizando.

Las resistencias trabajan con un código de colores para poder identificarlas de forma fácil. Según su combinación de colores ofrecerán más o menos resistencia al paso de la corriente. En la siguiente imagen vemos la tabla de colores de las resistencias:

5.2 Lista de actividades

A continuación se indican todas las actividades que se van a realizar durante este curso en el bloque de ARDUINO. En cada una de ellas está toda la información necesaria para realizarlas y también como tiene que ser su entrega.