Empezar con Arduino
by drancope
En este artículo doy algunos conocimientos básicos acerca de qué es un microcontrolador, qué es un arduino, y cómo se puede empezar a programar con él.
Microcontroladores y Arduino
Un microprocesador es un circuito muy complejo, que realiza tareas de computación y podríamos decir que es el cerebro principal de un sistema completo, como un ordenador. La diferencia entre el microprocesador y el ordenador es que el primero solamente es el circuito, que generalmente va construido dentro de una pastilla de plástico, y el segundo tiene otros componentes que permiten que el microprocesador se conecte con el mundo exterior. Esto incluye memorias RAM, discos duros, ratón, teclado, Internet, pantalla, y montones de aparatos más.
Un microcontrolador es un circuito parecido al microprocesador, pero que está fabricado para conectarse con más facilidad a los dispositivos más sencillos del mundo exterior: transistores, LEDs, botones, pantallas simples o pequeños servo-motores.
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| Microprocesadores: Tienen una alta velocidad y capacidad de tratamiento de datos. Se usan en ordenadores. | Microcontroladores: Son más pequeños, y tienen menor consumo eléctrico. Al tener menor capacidad de procesamiento, se usan en gran cantidad de aparatos que necesitan control automático. |
Con frecuencia, los microcontroladores se montan sobre placas que amplian un poco lo que ellos pueden hacer. Por ejemplo, es común incorporar en la placa un conector USB para conectar el microcontrolador al ordenador. También suele añadirse un LED para que los usuarios lo programen.
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| La tarjeta Micro:bit monta un conjunto de 25 diodos y dos botones que pueden programarse. También lleva un micrófono, y un altavoz, un sensor de temperatura, y una brújula. | Arduino es algo más sencillo, solo tiene el conector USB y un LED, pero trae unas piezas de plástico para insertar cables de nuevos circuitos, cosa que Micro:bit no tiene. |
Otros modelos de tarjetas microcontroladoras son las que usan los chips PIC, las que usan el sistema de programación mbed con chips Arm.
Existen varios fabricantes de microcontroladores, y algunos de ellos fabrican varios tipos de ellos, con arquitecturas distintas. Podemos hablar de familias de microcontroladores, según el tipo de arquitectura con la que se han diseñado. Son ejemplos de ellos las familias Cortex, Z8, PIC o COP.
Hardware libre
Arduino se diseñó para ser copiado: la empresa que lo creó proporcionó una licencia de uso libre de su diseño. Así han conseguido que este modelo de tarjeta con microcontrolador sea el más usado y conocido del mundo. La mayoría de las tarjetas Arduino tienen un microcontrolador de la marca Atmel, aunque otras más modernas utilizan microcontroladores Arm Cortex.
Existen distintas tarjetas bajo la familia Arduino. La más corriente es el Arduino UNO. Otros modelos son el mini, el Leonardo, el nano o el Mega. Cada uno se diferencia de los demás en distintas cosas, como puede ser el modelo de microcontrolador, su memoria o su velocidad, o el tipo de conexión hacia el ordenador (podría incluso no tener ninguna), o la cantidad de terminales para conectar.
Como los fabricantes tienen derecho a copiar y modificar el diseño, para hacer el suyo propio, podemos encontrar modelos ligeramente distintos. Algunos tienen un chip de comunicaciones USB diferente, y otros tienen un microcontrolador distinto, de otro fabricante.
Para hacer funcionar estos modelos, hay que instalar a veces algún driver o alguna biblioteca de tarjetas distinta.
Las variedades más comunes, que podemos encontrar a precio muy económico en Intenet, son las que llevan la interfaz USB ch340, y la que tiene el chip de la familia lgt8f, fabricado por la compañía Logic Green.
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Esta tarjeta inspirada en el Arduino UNO tiene un microcontrolador de tamaño más pequeño que el original, aunque del mismo tipo. A la izquierda vemos señalado también el chip ch340. Para usarla, hay que instalar en el ordenador con el que programamos el driver adecuado: driver ch340 |
En esta "copia" del famoso UNO se utiliza el chip lgt8f328. El color rojo no quiere decir nada. Este microcontrolador tiene un conjunto de programas que se añaden a la instalación de Arduino del ordenador. Hay que descargar el paquete y descomprimirlo, y luego copiar las carpetas en nuestra carpeta de instalación: drivers lgt8 de wagvat |
También encontramos los dispositivos ESP8266. Estas tarjetas tienen incluida la posibilidad de conectarse a una red wifi sin necesidad de módulos de expansión.
Programas para programar
La Interfaz de desarrollo Arduino está disponible para descarga en dos versiones. La versión estable es la 1.8, y tiene menos funcionalidades que la versión nueva 2.0. Esta última está en versión de prueba, pero ayuda a gestionar mejor la biblioteca de tarjetas y de programas de extensión.
En general, una Interfaz de desarrollo se suele llamar IDE de manera abreviada.
Una vez que la hayamos descargado e instalado, nos creará una carpeta llamada Arduino en nuestra carpeta de usuario del ordenador. Allí podemos instalar las librerías de ampliación que descarguemos, y se guardarán nuestros programas.
Desde el menú “herramientas” podremos seleccionar la tarjeta que vamos a conectar, y el número de conector (puerto) en el que la enchufamos. Si tenemos un arduino UNO, basta con elegir esta tarjeta o “board”, y elegir el puerto adecuado, que en Windows toma los nombres COM1, COM2, etc., y en Linux suele ser ttyUSB0, ttyUSB1, etc.
Si elegimos el puerto equivocado, no podremos comunicarnos con la tarjeta. Afortunadamente, al lado del nombre correcto de puerto suele aparecer la placa que se ha detectado.
Primer programa
En el menú Archivo tenemos un apartado de ejemplos. Probaremos en primer lugar el programa blink, que simplemente hace parpadear el led de la tarjeta. Si no hay problemas de comunicaciones, el botón de la flecha hacia la derecha convertirá el programa desde código fuente a programa objeto y lo copiará a través del cable usb en la memoria flash del microcontrolador. El LED parpadeará.
Cambiando el número dentro de los paréntesis del delay (1000 corresponde a un segundo) por un número más bajo, por ejemplo 400, veremos que el ritmo del parpadeo cambia.
Todos estos pasos están descritos con detalles, fotografías, consejos y frecuentemente con videos explicativos en una infinidad de páginas web. Y a partir de aquí, encontraremos los siguientes tutoriales, para continuar avanzando en nuestro aprendizaje.
Estructura de un programa
La interfaz de desarrollo de arduino es capaz de tomar el código fuente en un lenguaje llamado también Arduino, que está fuertemente basado en otro llamado Wiring, que, a su vez, está basado en Processing, y que, en el fondo, es muy muy parecido a c++.
La operación que hace el programa Arduino al leer el código fuente escrito por nosotros y convertirlo a objeto (es decir, lenguaje máquina), se llama compilación. La interfaz de desarrollo contiene, por lo tanto, un compilador. C++ es un lenguaje “compilado”. Hay otros lenguajes que son “interpretados”, como Python.
El microcontrolador no puede entender el programa escrito por nosotros en la Interfaz de desarrollo
Los programas de arduino deben describir dos funciones: setup() y loop().
Para tener esto más claro, una función es un fragmento de programa aislado, que puede ejecutarse desde un programa principal, o desde un programa secundario, o desde otra función.
setup() y loop() son el programa principal que funcionará en el microcontrolador. La primera de ellas, setup(), funcionará solamente una vez, cada vez que se encienda el microprocesador. Una vez que termina esta función, empezará a funcionar la segunda, loop(), y en cuanto termine de ejecutarse, se repetirá otra vez, y así de manera indefinida mientras exista alimentación eléctrica en la placa del microcontrolador.
void setup() {
//las instrucciones escritas aquí
//solo se ejecutan una vez tras encender.
}
void loop() {
/*
Estas instrucciones se ejecutan después
de las de setup(), y se repiten para siempre,
mientras haya electricidad en la placa
*/
}
El programa de arriba muestra las dos funciones, setup() y loop(), y las instrucciones que serán su descripcción deben escribirse entre llaves.
En este ejemplo, las instrucciones escritas no hacen nada, puesto que se trata de comentarios, cuya función es explicar algo del funcionamiento al lector del programa (y al propio autor, ya que es frecuente que incluso el programador necesite recordar qué es lo que hacía el programa cuando pasa un tiempo desde que lo creó). Hay comentarios de una sola línea, o de varias líneas. En cualquier momento en que en una línea, al principio o a mitad, aparezcan los caracteres //, el resto de la línea se considera un comentario, y el compilador de Arduino no analizará el texto hasta el final de la línea. Los comentarios también pueden empezar con /* y terminar con */, ocupando varias líneas.
Nuestra IDE de arduino tiene también un resaltador de código, que es capaz de hacer una lectura del programa reconociendo palabras clave, y asignándoles un color. Esto ayuda a que los programadores o lectores del programa puedan detectar algunos errores sencillos solamente mirando el color del texto.
Instrucciones
Todas las instrucciones del lenguaje Arduino, como las de C y C++, deben terminar con punto y coma, ;
Algunas instrucciones serán palabras reservadas, otras tendrán operaciones, y otras serán “llamadas” a funciones. A veces, combinaremos varias de estas opciones en una instrucción:
// Esta instrucción crea una variable, usando
// la palabra reservada "int":
int contador;
// Esta instrucción utiliza la función
// Serial.println() para escribir una palabra:
Serial.println("Almuerzo");
// Esta instrucción hace algo (que
// no está indicado) si se cumple
// una condición:
if (contador>6) {
// aquí se haría algún conjunto de instrucciones
}
// Por último, un ejemplo de combinación:
if ((hora=contador*2)>12)
Serial.println("hora de almozar!.");
El programa de parpadeo del led tiene su función setup() con el siguiente contenido:
void setup() {
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}
La función pinMode() sirve para configurar un terminal o pin del microcontrolador. Se puede hacer que esa patilla sirva para producir voltaje, y así poder controlar algún circuito eléctrico, lo cual se llama modo de salida, o sencillamente salida. O bien se puede configurar para que el microprocesador “vea” qué voltaje le hemos conectado a ese pin mediante un circuito externo. Esto sería el modo de entrada. Existe otro modo especial de entrada que no veremos aquí.
Para indicar esta configuración con la función pinMode(), debemos escribir dentro de los paréntesis a qué pin o terminal queremos aplicar la configuración, y qué configuración será. Estos datos, evidentemente, son números: el número de pin, y el número de configuración. Por ejemplo, el pin 5, y la configuración 1. Pero como en nuestro Arduino resulta que el pin 13 es donde está conectado el led de la placa, y en realidad no nos gusta saber si el modo entrada es 0 ó 1, o si el de salida es 1 ó 2, ni queremos tampoco saber si en otro arduino existe un led conectado a otro pin distinto, entonces usaremos algo que han preparado para nosotros:
Alguien se ha preocupado de hacer que LED_BUILTIN sea en realidad el número 13, y que OUTPUT sea el número de configuración que se refiere al modo de salida. Si usamos otra placa donde no es así, el fabricante se habrá preocupado -esperemos- de hacer que ambas definiciones cambien al número correcto.
La función loop() hace lo siguiente:
void loop() {
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
delay(1000);
}
La primera función, digitalWrite() pone el voltaje del pin 13 en “encendido” (es decir, 5 voltios). Esto hará que se encienda el led.
La segunda función, delay() entra en un modo de “espera” durante la cantidad de milisegundos que le hemos pasado dentro de los paréntesis.
La siguiente, como es de esperar, apaga el led. Y por último se espera otro segundo más. Después, se repite todo este ciclo, hasta que apaguemos el arduino quitándole el voltaje de alimentación.
Las letras mayúsculas y minúsculas de los nombres de las funciones o de las variables, en el lenguaje c (y en la mayoría de lenguajes), deben escribirse tal cual se ve en los ejemplos. la función delay() no sería la misma función que Delay() o deLay(). La primera viene en minúsculas, y alguien la ha escrito para que nosotros la usemos, así que ya existe y está disponible. Las otras no existen, salvo que nosotros las “definamos” o “describamos”, escribiendo cada una de las instrucciones que querríamos que hicieran.