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Hardware Arduino para la Educación

Hardware Arduino

Arduino es una plataforma para prototipado de electrónica basada en hardware y software libre y fácil de utilizar. Podemos construir circuitos electrónicos y programarlos con esta placa.

Realmente lo que estamos haciendo es programar un microcontrolador, estos dispositivos electrónicos programables nos rodean en nuestro día a día, en el coche, nuestra casa, el trabajo, etc…

Las principales características que podemos encontrar en nuestra placa de Arduino UNO son las siguientes:

  • El microcontrolador es un circuito integrado programable capaz de realizar operaciones matemáticas complejas a gran velocidad.
  • La alimentación de una placa de Arduino es mediante el puerto USB mientras se está programando. Una vez programado podemos desconectarlo del ordenador y que trabaje de forma autónoma y se alimenta Arduino mediante una fuente de alimentación o pila de 9V.
  • Tanto las entradas como las salidas dotan al sistema de información y realizan diferentes actuaciones.

Arduino contiene la siguiente distribución de pines:

  • Disponemos de 14 pines digitales que pueden ser configurados como entradas o salidas, de los cuales (serigrafiadas con el símbolo ~) pueden ser utilizados como señales digitales PWM 6 pines.
  • Igualmente disponemos de 6 pines analógicos serigrafiadas desde A0 hasta A5 para las entradas analógicas.
  • También disponemos de 3 pines GND para conectar a tierra nuestros circuitos.
  • Y por último 2 pines de alimentación de 5V y 3.3V respectivamente.

Para saber más:

Sensores

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas.

  • Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc.
  • Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad o un sensor capacitivo), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.

Un sensor nos va a poder medir/leer las variables ambientales de nuestro entorno para poder tomar decisiones en función de los cambios en el entorno.

Ejemplos de sensores. Kits Arduino: http://www.robotshop.com/en/37-modules-sensor-kit-arduino.html

Listado de componentes: http://tienda.bricogeek.com/upload/datasheets/SEN-0060/37-en-1-especificaciones.pdf

Actuadores

Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre elemento externo. Este recibe la orden de un regulador, controlador o en nuestro caso un Arduino y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.

Existen varios tipos de actuadores como son:

  • Electrónicos
  • Hidráulicos
  • Neumáticos
  • Eléctricos
  • Motores
  • Bombas

En determinadas ocasiones, necesitamos un “driver” o manejador para poder mandar órdenes desde Arduino.

  • Recordad que los pines de Arduino solo pueden manejar un máximo de 40mA y recomendable usar 20mA de forma continua.
  • Recordar que Arduino solo puede manejar un total de 200 mA de salida. Es decir que la corriente máxima que admite Vcc y GND son 200 mA.

Un actuador nos permite interactuar con el entorno.

Periféricos

Periférico es la denominación genérica para designar al aparato o dispositivo auxiliar e independiente conectado a la unidad central de procesamiento o en este caso a Arduino. Se consideran periféricos a las unidades o dispositivos de hardware a través de los cuales Arduino se comunica con el exterior, y también a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal.

Ejemplos de periféricos:

  • Pantallas LCD
  • Teclados
  • Memorias externas
  • Cámaras
  • Micrófonos
  • Impresoras
  • Pantalla táctil
  • Displays numéricos
  • Zumbadores
  • Indicadores luminosos, etc…

En ocasiones para usar un periférico con Arduino, necesitamos un “driver” o manejador para poder mandar órdenes desde Arduino.

Shields Arduino

Las shields son placas de circuitos modulares que se montan unas encima de otras para dar funcionalidad extra a un Arduino. Esta Shields son apilables.

Existen miles de shields en función de lo que necessitemos: http://shieldlist.org/

Shields Educativos

Uno de los problemas que se encuentran a la hora de impartir un curso de electrónica y programación con Arduino en los colegios es la dificultad de comprobar los montajes de los circuitos de los alumnos. Sobre todo cuando se trata de los más pequeños.

Existen shields educativos que facilitan el trabajo en el aula. Son shields que o bien permiten conectar y listo o bien tienen varios componente integrados que evitan hacer cableados y no tener que saber de electrónica.

Shield Educativo Multifunción

Shield educativo + mblock https://www.prometec.net/blog-shield-educativo-multifuncion/

Echidna

EchidnaShield es un proyecto Open Source dirigido a facilitar el aprendizaje de la programación de sistemas físicos en los últimos cursos de Primaria y en Secundaria. Con este fin se ha diseñado un escudo para Arduino, pensando en su uso con entornos visuales de programación. El escudo está apoyado en una guía educativa con propuestas de actividades para el aula.

Toda la información en: http://echidna.es/

BQ Zum Kit

Web: https://www.bq.com/es/zum-kit

Grove Starter Kit

Web: https://www.seeedstudio.com/Grove-Starter-Kit-for-Arduino-p-1855.html

Grove System: http://www.seeedstudio.com/wiki/GROVE_System

Wiki: http://www.seeedstudio.com/wiki/Grove_-_Starter_Kit_v3

Kit conectar y listo: http://www.electan.com/arduino-shield-kit-modulos-conectar-listo-p-2987.html  

Makey Makey

MaKey MaKey es una placa de circuito impreso con un microcontrolador ATMega32u4 que ejecuta el firmware de Arduino Leonardo. Utiliza el protocolo de dispositivos de interfaz humana (HID) para comunicarse con el ordenador, y puede enviar pulsaciones de teclas, clics del mouse y movimientos. Para detectar un circuito cerrado en los pines de entrada digital, usa switches de alta resistencia para que sea posible cerrar un interruptor incluso a través de materiales como la piel, hojas y play-doh. Usa una resistencia de pull-up de 22 mega ohms. Esta técnica atrae el ruido en la entrada, pero usa promediador para reducir el ruido mediante software, ahorrando dinero en el filtrado por hardware. Hay seis entradas en la parte frontal de la placa, que se pueden unir a través de conectores tipo cocodrilo o cualquier otro método que se te ocurra. Hay otras 12 entradas en la parte posterior, 6 para las teclas del teclado y 6 para el movimiento del mouse, a las que se puede acceder usando jumpers, clips o conectores de tipo cocodrilo de forma creativa alrededor de los conectores.

Más información:

Avanzado de Makey Makey

Firmware de Makey Makey: https://github.com/sparkfun/MaKeyMaKey/tree/master/firmware/Arduino/makey_makey

Repositorio Makey Makey: https://github.com/sparkfun/MaKeyMaKey

Web donde comprar: https://www.ro-botica.com/

Picuino

Picuino es una plataforma de hardware y software que facilita el desarrollo sencillo de proyectos interactivos.

Picuino: http://www.picuino.com/

NanoPlayBoard

NanoPlayBoard es un Shield educacional para Arduino Nano hecha en Almería.

Web del proyecto: http://nanoplayboard.org/

NanoPlayBoard tiene una librería ya configurada en la que está todo el código necesario para llevar a cabo esos experimentos básicos.

Una placa open sourece con muchas posibilidades:

littleBits

littleBits es una empresa con sede en la ciudad de Nueva York que hace una biblioteca de código abierto de electrónica modular, que consiste en juntar piezas con pequeños imanes para la creación de prototipos. El objetivo de la compañía es democratizar el hardware de la misma forma que el software y la impresión se han democratizado. La misión de littleBits es “poner el poder de la electrónica en manos de todos y analizar tecnologías complejas para que cualquiera pueda construir, crear prototipos e inventar”.

El kit de codificación little littlebits Arduino permite a los usuarios comenzar a crear inventos que se comunican con el software (Processing, MaxMSP, etc.), con el apoyo de instrucciones paso a paso, recursos útiles en línea y 8 bocetos de muestra (código prefabricado) incluido. Aprende las habilidades del futuro: codificación, ingeniería y creatividad.

Web: https://www.littlebits.com/

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HW IoT

Esta conferencia sobre IoT con Arduino fue expuesta el 1 de abril de 2017 con motivo del Arduino Day. Puedes ver el video de la conferencia completa en http://www.innovarioja.tv/index.php/video/ver/1661


Dispositivos Hardware, son los dispositivos que van a medir y los que van a interactuar con el exterior.

El primer elemento, el que está más cerca de las “cosas” es el HW que se encarga de medir e interactuar con las “cosas” y procesar esos datos:

El elemento HW programable capaz de interactuar con estos dispositivos es el microcontrolador o el microprocesador.

El HW libre por excelencia es Arduino como microcontrolador y Raspberry Pi como microprocesador, con menor potencia física pero mayor potencia de cálculo.

Dentro del HW libre no solo debemos quedarnos con Arduino, sino que existen otros dispositivos compatibles que se programar igual que Arduino:

Y muchas más que aparecen cada día.

No solo para prototipos, PLC basado en Arduino: https://www.industrialshields.com/

Sensores y Actuadores

Sensores

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, movimiento, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad o un sensor capacitivo), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un fototransistor), etc.

Los sensores se pueden clasificar en función de los datos de salida en:

  • Digitales
  • Analógicos
  • Comunicación por Bus

Los sensores van conectados a las entradas de Arduino.

A la hora de elegir un sensor, debemos leer detenidamente las características y elegir uno que sea compatible con nuestro sistema (tensión y voltaje) y que sea sencillo de usar o nos faciliten una librería sencilla y potente.

Ejemplos de Sensores:

Ejercicio con sensor de temperatura: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/07/02/sensor-de-temperatura/

Actuadores y Periféricos

Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre elemento externo. Este recibe la orden de un regulador, controlador o en nuestro caso un Arduino y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.

Existen varios tipos de actuadores como son:

  • Electrónicos
  • Hidráulicos
  • Neumáticos
  • Eléctricos
  • Motores
  • Bombas

Los actuadores van conectados a las salidas de Arduino.

Periférico es la denominación genérica para designar al aparato o dispositivo auxiliar e independiente conectado a la unidad central de procesamiento o en este caso a Arduino. Se consideran periféricos a las unidades o dispositivos de hardware a través de los cuales Arduino se comunica con el exterior, y también a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal.

Ejemplos de periféricos:

  • Pantallas LCD
  • Teclados
  • Memorias externas
  • Cámaras
  • Micrófonos
  • Impresoras
  • Pantalla táctil
  • Displays numéricos
  • Zumbadores
  • Indicadores luminosos, etc…

Para cada actuador o periférico, necesitamos un “driver” o manejador para poder mandar órdenes desde Arduino.

  • Recordad que los pines de Arduino solo pueden manejar un máximo de 40mA y recomendable usar 20mA de forma continua.
  • Recordar que Arduino solo puede manejar un total de 200 mA de salida. Es decir que la corriente máxima que admite Vcc y GND son 200 mA.
  • Recordar que los pines Arduino solo pueden tener los valores de 5V (3.3V en algunos modelos) y 0V. No es posible cualquier otro valor de tensión.

A la hora de seleccionar un actuador o periférico para usar con arduino habrá que ver sus características y cómo hacer el interface con arduino. En el playground de Arduino existe una gran base de datos de conocimiento para conectar Arduino con casi cualquier HW: http://playground.arduino.cc/Main/InterfacingWithHardware

Tutoriales para conectar Arduino con diversos dispositivos: http://playground.arduino.cc/Learning/Tutorials

Ejemplos de Actuadores y periféricos:

Otro tipo de actuadores son los motores. Más información de motores en: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2016/07/04/motores/

Actuadores y periféricos de salida

Un actuador es un dispositivo capaz de transformar energía hidráulica, neumática o eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre elemento externo. Este recibe la orden de un regulador, controlador o en nuestro caso un Arduino y en función a ella genera la orden para activar un elemento final de control como, por ejemplo, una válvula.

Existen varios tipos de actuadores como son:

  • Electrónicos
  • Hidráulicos
  • Neumáticos
  • Eléctricos
  • Motores
  • Bombas

Periférico es la denominación genérica para designar al aparato o dispositivo auxiliar e independiente conectado a la unidad central de procesamiento o en este caso a Arduino. Se consideran periféricos a las unidades o dispositivos de hardware a través de los cuales Arduino se comunica con el exterior, y también a los sistemas que almacenan o archivan la información, sirviendo de memoria auxiliar de la memoria principal.

Ejemplos de periféricos:

  • Pantallas LCD
  • Teclados
  • Memorias externas
  • Cámaras
  • Micrófonos
  • Impresoras
  • Pantalla táctil
  • Displays numéricos
  • Zumbadores
  • Indicadores luminosos, etc…

Conexiones básicas de Arduino a periféricos: http://www.pighixxx.com/test/abc/

Para cada actuador o periférico, necesitamos un “driver” o manejador para poder mandar órdenes desde Arduino.

  • Recordad que los pines de Arduino solo pueden manejar un máximo de 40mA y recomendable usar 20mA de forma continua.
  • Recordar que Arduino solo puede manejar un total de 200 mA de salida. Es decir que la corriente máxima que admite Vcc y GND son 200 mA.
  • Recordar que los pines Arduino solo pueden tener los valores de 5V (3.3V en algunos modelos) y 0V. No es posible cualquier otro valor de tensión.

Este enlace explica mucho mejor los las limitaciones de corriente en los pines de Arduino: http://playground.arduino.cc/Main/ArduinoPinCurrentLimitations

A la hora de seleccionar un actuador o periférico para usar con arduino habrá que ver sus características y cómo hacer el interface con arduino. En el playground de Arduino existe una gran base de datos de conocimiento para conectar Arduino con casi cualquier HW: http://playground.arduino.cc/Main/InterfacingWithHardware

Tutoriales para conectar Arduino con diversos dispositivos: http://playground.arduino.cc/Learning/Tutorials

Un periférico podría ser una televisión. Sacar por TV datos de Arduino, librería TV OUT: http://real2electronics.blogspot.com.es/2010/11/libreria-tvout.html

Relés

Un tipo de actuadores son los relés. Para manejar un relé necesitamos un driver, puesto que con los 40mA posiblemente no sea suficiente para activar la bobina del relé, además que hay relés de 5V pero también de otros muchos voltajes.

El relé es un dispositivo electromagnético. Funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes.

Definición de relé: https://es.wikipedia.org/wiki/Rel%C3%A9

Relés comerciales http://www.trossenrobotics.com/c/data-i-o-Relay-switching-boards.aspx

Un relay driver es un circuito electrónico que usa un transistor para activar la bobina del relé de forma que con una pequeña corriente activamos el circuito que alimenta al relé desde una fuente externa.

Los Relay Shield ya tienen integrados los relés y los drives, lo que nos facilita el trabajo, incluso algunas shields incluyen su librería: http://www.seeedstudio.com/wiki/Relay_Shield

O también una placa (breakout board) con dos relés y su driver con posibilidad de alimentarlos desde Arduino o externamente: http://www.geeetech.com/wiki/index.php/2-Channel_Relay_module

Esquemático:

También existen integrados como el ULN2803A que nos permiten controlar relés, se trata de un array o conjunto de 8 pares darlington que soportan 500mA y 50V. Conecta la carga a masa.

Datasheet: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/uln2803a.pdf

Si tuviéramos que controlar elementos con más potencia de la soportada por los relés o los drivers, deberemos usar contactores a los que atacaremos desde los relés.

Relés biestables

Los relés biestables tienen 2 posiciones estables para los contactos de salida. Dependiendo de la bobina que se alimente, los contactos pasarán de una posición a otra. El cambio de posición se efectúa con dos sistemas de bobina y con contactos de autocorte para cada juego de bobinas, lo cual posibilita que el relé no consuma energía en permanencia, tan solo en los instantes en los que cambia de estado.

Otros Actuadores

Actuadores comerciales:

Displays

Un display o visualizador un dispositivo de ciertos aparatos electrónicos que permite mostrar información al usuario de manera visual. Un visualizador de una señal de vídeo se lo llama más comúnmente pantalla.

Definición: https://es.wikipedia.org/wiki/Visualizador

Displays:

Como funciona un display LCD: http://ww1.microchip.com/downloads/cn/AppNotes/cn011075.pdf

Aprender a usar un display LCD con Arduino: http://diymakers.es/aprender-usar-un-display-lcd/

Tutorial LCD: https://www.dlabs.co/curso-de-arduino-y-robotica-pantallas-lcd/

Práctica: Display LCD

Ejercicio: Ejemplo 11 del libro de prácticas, la bola de cristal. Hacer que cada vez que mueva Arduino, detecte el movimiento con el tilt sensor y devuelva por la pantalla LCD una respuesta aleatoria.

Mejora: Hacer que también funcione la bola de cristal al usar el puerto serie. Hacer una pregunta por el puerto serie, que se muestre la pregunta en la pantalla LCD y luego a los 5 segundos responda por la pantalla LCD y por el puerto serie.

Solución: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/tree/master/Ejercicio23-LCD

Ejercicio: Controlar en qué dirección se mueve el display.

Solución: http://arduino.cc/en/Tutorial/LiquidCrystalTextDirection

Esquemas:

EXTRA:

Ejemplo: Ejemplo de las zapatillas de John Luck:

El arduino que va montado y se ve en la foto, que vale 9.95$:https://www.sparkfun.com/products/11113

El modulo bluetooth, que vale 34.95$: https://www.sparkfun.com/products/12580

El sensor: https://www.sparkfun.com/products/10293, que vale 1.5$, posiblemente no sea este puesto que sería necesario un sensor con mucha más sensibilidad.

El resto  de elementos posiblemente sean para adaptar la señal del sensor piezo eléctrico y cargador de batería