Placa Arduino

Ya hemos visto en el apartado anterior básicamente qué es Arduino. Ahora nos vamos a parar a estudiar en detalle cada una de las partes de que consta.

¿Qué es un microcontrolador?

Es un circuito integrado que se puede programar, o sea que puede ejecutar las órdenes que tenga almacenadas en su memoria. Tiene las tres funciones principales de un ordenador, pero en un único chip:

• Una unidad central de proceso,
• Memoria y
• Entradas y salidas.

Arduino utiliza la marca ATMEL como microcontrolador. Dependiendo del modelo de tarjeta hay distintos tipos de microcontrolador. Por ejemplo la tarjeta Arduino Uno utiliza el micro ATMEL MEGA 328P.

  El microcontrolador en la placa Arduino se programa mediante el lenguaje de programación Arduino (basado en Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en Processing) y normalmente mediante el Arduino IDE.

¿Qué son las entradas y salidas?

Mediante los conectores de Arduino correspondientes a las entradas y salidas podemos comunicar nuestros programas con el “mundo exterior”. Si queremos leer el valor de la magnitud física medida por un sensor, por ejemplo una LDR que detecta el nivel de luminosidad, lo tendremos que hacer conectando el sensor a uno de los pines de entrada (en este caso analógicas) de la tarjeta. De esta forma con una simple instrucción de lectura en el programa, podremos obtener el valor de la magnitud física.

Si nuestra intención es actuar o “hacer algo” una vez leído el valor del sensor, por ejemplo encender un led si el sensor de luminosidad detecta oscuridad, tendremos que conectar el actuador (en este caso el led) a un pin de salida que proporcionará la corriente necesaria para activarlo.

En Arduino las entradas pueden ser analógicas o digitales y las salidas sólo digitales. Cada pin digital tiene doble función entrada o salida. En la zona de configuración del programa hay que indicar explícitamente mediante una instrucción cuál es función desempeña un determinado pin.

¿Dónde se conectan los sensores a las entradas analógicas o digitales?

Los sensores utilizados en los proyectos que vamos a utilizar son de salida analógica, es decir proporcionan una variación de voltaje dentro de un rango (normalmente de 0 a +5V) dependiendo de lo que varíe la magnitud física medida. Muchos sensores son resistivos (luz, temperatura, humedad,…), es decir que varían su resistencia eléctrica con la magnitud física, pero mediante un sencillo montaje de divisor de tensión conseguimos una variación de voltaje apta para Arduino.

Estos montajes los veremos en las prácticas del manual.

Una vez realizadas las conexiones, si midiéramos la salida del sensor con un voltímetro nos daría un valor decimal, por ejemplo un nivel de luz “intermedio” (rango de 0 a 5V) de un sensor de luz podría dar 3,3 voltios. Este tipo de información el microcontrolador no la entiende tal cual, sólo es capaz de interpretar números binarios (“0” ó “1”) por lo que para traducir los valores analógicos dispone internamente de un conversor analógico – digital que hará la conversión entre los dos sistemas, de forma que podremos tener valores discretos de la medida de los sensores analógicos.

 Entradas y salidas

La placa Arduino UNO consta de:

• 14 conexiones digitales configurables como Entradas o Salidas que operan a 0 ó 5 Voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir como máximo 40 mA. Los pines 3, 5, 6, 8, 10 y 11 pueden proporcionar una salida PWM (Pulse Width Modulation). Si se conecta cualquier dispositivo a los pines 0 y 1, eso interferirá con la comunicación USB. 
• 6 entradas analógicas con una resolución de 10 bits que proporcionan un número entero de 0 a 1023. Por defecto miden de 0 voltios (masa) hasta 5 voltios.

¿Qué utilidad tienen las entradas digitales?

Las entradas digitales son útiles cuando las señales a leer son valores discretos. Por ejemplo queremos poner un pulsador o un interruptor que encienda un led. Hacemos un montaje que cuando se pulse, entren 5 voltios en el pin digital de entrada y cuando no se pulse que “entren” 0 voltios. De esta manera la lectura del pin digital de entrada será “HIGH” con 5 voltios o “LOW” con 0 voltios.

¿Qué son las salidas digitales etiquetadas con PWM (~)?

Son salidas digitales que simulan una salida analógica. Las siglas significan Modulación por Ancho de Pulso (Pulse Width Modulation) o proporcionan una onda cuadrada con un nivel alto (+5V) de “cierta” duración.
Es muy útil para activar servomotores y llevarlos a una posición determinada o variar la luminosidad de un led. Lo puedes ver más explicado en la siguiente sección.

Pines de la placa

Elementos con los que podemos interactuar: (tomando como ejemplo la placa USB). Empezando en el sentido de las agujas del reloj desde el centro de la parte superior:

• Pin de referencia analógica.
• Señal de tierra digital
• Pines digitales 2-13
• Pines digitales 0-1 / entrada y salida del puerto serie: TX/RX (azul) (estándar de comunicación serie IC2).
• Botón de reset
• Entrada del circuito del programador serie
• Pines de entrada analógica 0-5
• Pines de alimentación y tierra
• Entrada de la fuente de alimentación externa (9-12V DC) – X1
• Conmutación entre fuente de alimentación externa o alimentación a través del puerto USB – SV1. En las placas más reciente la conmutación de la alimentación se realiza con un MOSFET.
• Puerto USB
  

Las placas: Arduino Diecimila, Arduino Duemilanove o UNO y Arduino Mega están basados en los microcontroladores Atmega168, Atmega 328 y Atmega1280 respectivamente.

Las especificaciones de cada uno de los microcontroladores se exponen en la tabla siguiente:

SHIELDS para Arduino

Las llamadas Shields (escudos) para Arduino son tarjetas que añaden funciones a la placa Arduino. 

Como se ha comentado antes, Arduino por sí sola no puede proporcionar la suficiente intensidad para alimentar motores, relés o electroválvulas. El límite de intensidad que proporciona cada una de las salidas digitales es de 40 mA. Para poder activar estos dispositivos tendremos que montar un circuito externo adicional con transistores o circuitos integrados específicos para motores, como es el caso del LM293, que entregan la intensidad suficiente. Para facilitarnos la tarea existen unas placas adaptadas a los pines de Arduino que se ensamblan directamente sobre ella a modo de "escudo" (de ahí su nombre, shileds) y nos permiten tener pines adicionales para alimentar las cargas que Arduino por sí solo no es capaz de mover.

Hay también otro tipo de "shields" que proporcionan funciones como conexión Ethernet, WIFI, XBee, GSM, Host USB, etc... Actualmente hay decenas de ellas en el mercado. Puedes encontrar una larga lista de ellas en http://playground.arduino.cc/Main/SimilarBoards#goShie

Algunos ejemplos: