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Ejemplos Arduino con Estructuras de Control

Alarma Umbral

Partiendo del sketch https://www.arduino.cc/en/Tutorial/ifStatementConditional modificarlo para que en lugar de encender un led cuando supere el valor de umbral, simular un envío de un mensaje de alarma mediante Serial.println() cada vez que haya una alarma y se supere el umbral (solo cuando lo sobrepase la primera vez, no de forma continua) y otro mensaje de recuperación cada vez el valor este por debajo del umbral (solo cuando baje la primera vez, no de forma continua).

Esquema de conexión:

Ejecutar el sketch https://www.arduino.cc/en/Tutorial/ifStatementConditional y comprobar su funcionamiento.

El siguiente paso es añadir un texto de alarma y recuperación cuando se supere y cuando esté por debajo. Una vez comprobado que manda continuamente el texto, pensar cómo modificar el sketch para que lo mande solo cuando se supera la primera vez o cuando vuelve al estado normal la primera vez. Esto también sirve para para usar el digitalWrite una vez en lugar de hacerlo continuamente.

Diagrama de flujo:

Solución: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_2017/tree/master/Ejercicio07-Detectar_Alarma

Solución Visualino:

Ver en el serial plotter la representación gráfica de lo que está ocurriendo.

  • rojo: umbral
  • verde: estado alarma
  • azul: lectura del potenciómetro

Si comentamos la zona de “print values” veremos que solo se imprime por pantalla “alarma” y “alarma recuperada” cuando se pasa por el umbral, pero no continuamente.

Histéresis

Comprobar el efecto del programa cuando estamos justo en el umbral donde tendremos continuas alarmas y recuperaciones. Para solucionar esto añadir histéresis.

Diagrama de flujo:

Solución: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_2017/tree/master/Ejercicio08-Detectar_Alarma_Histeresis

Solución Visualino:

Cambio de comportamiento con un umbral medio de 400 y una histéresis de 50. Ver como cambia el umbral al pasar de estado de alarma a recuperado y viceversa.

Histéresis con Sondas de Temperatura

Hacer este mismo ejemplo con la sonda de temperatura TMP36 https://www.arduino.cc/documents/datasheets/TEMP-TMP35_36_37.pdf con y sin histéresis.

Esquema de conexión:

Hacer este mismo ejemplo con la sonda de temperatura y humedad DHT11

Solución:

Ejemplo de uso con TMP36 con alarma usando un buzzer: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Programacion_Arduino/blob/master/Ejercicio06-Alarma/Ejercicio06-Alarma.ino

Más prácticas de estructuras de control en el punto 2.9 del curso de programación: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2017/07/05/practica-estructuras-de-control/

Ejemplo con While

Ejemplo con while de calibración de un sensor de iluminación: https://www.arduino.cc/en/Tutorial/WhileStatementConditional

Más ejemplos en: https://www.arduino.cc/en/Tutorial/BuiltInExamples

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Estructuras de Control

En programación, las estructuras de control permiten modificar el flujo de ejecución de las instrucciones de un programa.

Con las estructuras de control se puede:

  • De acuerdo con una condición, ejecutar un grupo u otro de sentencias (If-Then-Else)
  • De acuerdo con el valor de una variable, ejecutar un grupo u otro de sentencias (Select-Case)
  • Ejecutar un grupo de sentencias mientras se cumpla una condición (Do-While)
  • Ejecutar un grupo de sentencias hasta que se cumpla una condición (Do-Until)
  • Ejecutar un grupo de sentencias un número determinado de veces (For-Next)

Todos los lenguajes de programación modernos tienen estructuras de control similares. Básicamente lo que varía entre las estructuras de control de los diferentes lenguajes es su sintaxis; cada lenguaje tiene una sintaxis propia para expresar la estructura.

En Visualino las estructuras de control se encuentran en el apartado “control”:

Estructuras de decisión

if:  es un estamento que se utiliza para probar si una determinada condición se ha alcanzado, como por ejemplo averiguar si un valor analógico está por encima de un cierto número, y ejecutar una serie de declaraciones (operaciones) que se escriben dentro de llaves, si es verdad. Si es falso (la condición no se cumple) el programa salta y no ejecuta las operaciones que están dentro de las llaves.

Referencia Arduino: https://www.arduino.cc/reference/en/language/structure/control-structure/if/

if… else:  viene a ser un estructura que se ejecuta en respuesta a la idea “si esto no se cumple haz esto otro”. Por ejemplo, si se desea probar una entrada digital, y hacer una cosa si la entrada fue alto o hacer otra cosa si la entrada es baja.

else: puede ir precedido de otra condición de manera que se pueden establecer varias estructuras condicionales de tipo unas dentro de las otras (anidamiento) de forma que sean mutuamente excluyentes pudiéndose ejecutar a la vez. Es incluso posible tener un número ilimitado de estos condicionales. Recuerde sin embargo que sólo un conjunto de declaraciones se llevará a cabo dependiendo de la condición probada.

Referencia Arduino: https://www.arduino.cc/reference/en/language/structure/control-structure/else/

Tutorial if() – Comparar el valor leido de un potenciometro con un umbral y encender un led si el valor leido es mayor que el umbral https://www.arduino.cc/en/Tutorial/ifStatementConditional

Uso de if con Visualino

Para ampliar más información sobre if…else en Arduino, ver este fantástico artículo de Luis del Valle https://programarfacil.com/blog/arduino-blog/if-else-arduino/

switch..case: Al igual que if, switch..case controla el flujo del programa especificando en el programa que código se debe ejecutar en función de unas variables. En este caso en la instrucción switch se compara el valor de una variable sobre los valores especificados en la instrucción case.

break es la palabra usada para salir del switch. Si no hay break en cada case, se ejecutará la siguiente instrucción case hasta que encuentre un break o alcance el final de la instrucción.

default es la palabra que se usa para ejecutar el bloque en caso que ninguna de las condiciones se cumpla.

Referencia Arduino: https://www.arduino.cc/reference/en/language/structure/control-structure/switchcase/

Uso de switch con Visualino

Tutorial Switch-case – Leer una fotorresistencia y en función de unos valores predefinidos imprimir la cantidad de luz en 4 valores: noche, oscuro, medio, claro https://www.arduino.cc/en/Tutorial/SwitchCase

Estructuras de repetición

for: La declaración for se usa para repetir un bloque de sentencias encerradas entre llaves un número determinado de veces. Cada vez que se ejecutan las instrucciones del bucle se vuelve a testear la condición. La declaración for tiene tres partes separadas por (;). La inicialización de la variable local se produce una sola vez y la condición se testea cada vez que se termina la ejecución de las instrucciones dentro del bucle. Si la condición sigue cumpliéndose, las instrucciones del bucle se vuelven a ejecutar. Cuando la condición no se cumple, el bucle termina.

Cualquiera de los tres elementos de cabecera puede omitirse, aunque el punto y coma es obligatorio. También las declaraciones de inicialización, condición y expresión puede ser cualquier estamento válido en lenguaje C sin relación con las variables declaradas.

Referencia Arduino: https://www.arduino.cc/reference/en/language/structure/control-structure/for/

Tutorial for() – efecto con leds coche fantastico https://www.arduino.cc/en/Tutorial/ForLoopIteration

while: Un bucle del tipo while es un bucle de ejecución continua mientras se cumpla la expresión colocada entre paréntesis en la cabecera del bucle. La variable de prueba tendrá que cambiar para salir del bucle. La situación podrá cambiar a expensas de una expresión dentro el código del bucle o también por el cambio de un valor en una entrada de un sensor.

Referencia Arduino: https://www.arduino.cc/reference/en/language/structure/control-structure/while/

Tutorial while() – calibrar el valor de un sensor analógico https://www.arduino.cc/en/Tutorial/WhileStatementConditional

do..while: El bucle do while funciona de la misma manera que el bucle while, con la salvedad de que la condición se prueba al final del bucle, por lo que el bucle siempre se ejecutará al menos una vez.

Referencia Arduino: https://www.arduino.cc/reference/en/language/structure/control-structure/dowhile/

goto: transfiere el flujo de programa a un punto del programa que está etiquetado.

Referencia Arduino: https://www.arduino.cc/reference/en/language/structure/control-structure/goto/

break: se usa en las instrucciones do, for, while para salir del bucle de una forma diferente a la indicada en el bucle.

Referencia Arduino: https://www.arduino.cc/reference/en/language/structure/control-structure/break/

continue: se usa en las instrucciones do, for, while para saltar el resto de las instrucciones que están entre llaves y se vaya a la siguiente ejecución del bucle comprobando la expresión condicional.

Referencia Arduino: https://www.arduino.cc/reference/en/language/structure/control-structure/continue/

En Visualino están disponibles todas las estructuras de repetición

Y por su puesto ante cualquier duda: https://www.arduino.cc/reference/en/

Efectos con LEDs

Ya sabemos como hacer parpadear un led, podemos hacer efectos con leds, encendiendose y apagandose en una secuencia concreta para hacer efectos y comprender la programación de Arduino.

Coche Fantástico Simple

Hacer el efecto de las luces del coche fantástico con 5 leds conectados a los pines 2, 3, 4, 5 y 6.

Esquema de conexión:

Recordar poner la resistencia adecuada a cada led. Ley de ohm: V = I * R, si el voltaje es de 5 V y queremos que al LED sólo le lleguen entre 5 mA (0.005 A) y 20 mA (0.02 A), entonces usar una resistencia entre 250 y 1000 ohms.

Código de colores de las resistencias.

Como primera aproximación se puede ejecutar en cada loop el encendido y apagado de cada led esperando un tiempo entre cada encendido y apagado. Para hacer debug, sacar por puerto serie el estado de cada led. Es una extensión del programa blink pero para varios leds.

Solución Visualino:

Solución: Ejercicio06-CocheFantasticoSimple: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_2017/tree/master/Ejercicio06-CocheFantasticoSimple

Control Velocidad del Efecto de Leds

Con el mismo montaje anterior, añadir un potenciómetro para controlar la velocidad del efecto de los leds.

Añadir en el código al inicio del loop() la línea “timer = analogRead(A0);” para que la velocidad de los leds sea la leida de la entrada analógica de un potenciómetro. Descomentar la línea del código usado en el paso anterior.

Conexión del potenciómetro:

Diagrama:

Solución Visualino:

Solución: Ejercicio06-CocheFantasticoSimple: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_2017/tree/master/Ejercicio06-CocheFantasticoSimple descomentando la línea: “timer = analogRead(A0);”

Esta solución no es perfecta, puesto que la velocidad se actualiza solo cuando acaba el loop (un ciclo) y no es inmediato. Veremos una solución mejor utilizado el bucle for.

Leer este tutorial y ver solo la primera solución: http://www.arduino.cc/en/Tutorial/KnightRider, las otras soluciones la veremos justo después de ver arrays y nos servirá para entender mejor su uso.

Otros Efectos

Probar a cambiar el código para hacer otros efectos cambiando el código.

Probar este efecto: https://github.com/jecrespo/Aprendiendo-Arduino/blob/master/Ejercicio48-Efectos_Led/Ejercicio48-Efectos_Led.ino

Usando este esquema:

Programación Arduino

¿Qué es la programación/lenguaje de programación?:

El lenguaje de programación de Arduino es C++. No es un C++ puro sino que es una adaptación que proveniente de avr-libc que provee de una librería de C de alta calidad para usar con GCC (compilador de C y C++) en los microcontroladores AVR de Atmel y muchas utilidades específicas para las MCU AVR de Atmel como avrdude: https://learn.sparkfun.com/tutorials/pocket-avr-programmer-hookup-guide/using-avrdude

Las herramientas necesarias para programar los microcontroladores AVR de Atmel son avr-binutils, avr-gcc y avr-libc y ya están incluidas en el IDE de Arduino, pero cuando compilamos y cargamos un sketch estamos usando estas herramientas.

Aunque se hable de que hay un lenguaje propio de programación de Arduino, no es cierto, la programación se hace en C++ pero Arduino ofrece unas librerías o core que facilitan la programación de los pines de entrada y salida y de los puertos de comunicación, así como otras librerías para operaciones específicas. El propio IDE ya incluye estas librerías de forma automática y no es necesario declararlas expresamente. Otra diferencia frente a C++ standard es la estructuctura del programa que ya hemos visto anteriormente.

Toda la información para programar Arduino se encuentra en el reference de la web de Arduino: https://www.arduino.cc/en/Reference/HomePage. Este es el core o API de Arduino.

Lenguaje de programación C++

Es posible usar comandos estándar de C++ en la programación de Arduino siempre que estén incluidos en el avr libc:

Características de C:

  • Es el lenguaje de programación de propósito general asociado al sistema operativo UNIX.
  • Es un lenguaje de medio nivel. Trata con objetos básicos como caracteres, números, etc… también con bits y direcciones de memoria.
  • Posee una gran portabilidad
  • Se utiliza para la programación de sistemas: construcción de intérpretes, compiladores, editores de texto, etc

Un buen libro de referencia para C:

Y un libro que se puede descargar gratuitamente Essential C: http://cslibrary.stanford.edu/101/EssentialC.pdf

Por supuesto en Internet hay muchas webs de referencia donde consultar dudas a la hora de programar en C++:

C++ es un lenguaje de programación diseñado a mediados de los años 1980 por Bjarne Stroustrup. La intención de su creación fue el extender al exitoso lenguaje de programación C con mecanismos que permitan la manipulación de objetos. En ese sentido, desde el punto de vista de los lenguajes orientados a objetos, el C++ es un lenguaje híbrido.

Posteriormente se añadieron facilidades de programación genérica, que se sumó a los otros dos paradigmas que ya estaban admitidos (programación estructurada y la programación orientada a objetos). Por esto se suele decir que el C++ es un lenguaje de programación multiparadigma. Actualmente existe un estándar, denominado ISO C++.

C# es un lenguaje propietario de Microsoft que mezcla las características básicas de C++ (no las avanzadas) simplificandolas al estilo Java y ofreciendo un framework. C# forma parte de la plataforma .NET

Elementos básicos en la programación de Arduino

Un manual sencillo de entender para la programación es el “arduino programming notebook” de brian w. Evans. Puedes consultarlo o descargarlo desde:

Cuando compilamos y cargamos el programa en Arduino esto es lo que ocurre:

{} entre llaves

Las llaves sirven para definir el principio y el final de un bloque de instrucciones. Se utilizan para los bloques de programación setup(), loop(), if.., etc.

Una llave de apertura “{“ siempre debe ir seguida de una llave de cierre “}”, si no es así el compilador dará errores. El entorno de programación de Arduino incluye una herramienta de gran utilidad para comprobar el total de llaves. Sólo tienes que hacer click en el punto de inserción de una llave abierta e inmediatamente se marca el correspondiente cierre de ese bloque (llave cerrada).

Usando programación mediante bloques las llaves no son necesarias ya que todo lo que está dentro de un bloque ejecutar, es lo que va entre llaves.

; punto y coma

El punto y coma “;” se utiliza para separar instrucciones en el lenguaje de programación C. También se utiliza para separar elementos en una instrucción de tipo “bucle for”.

Nota: Si olvidáis poner fin a una línea con un punto y coma se producirá en un error de compilación.

/*… */ bloque de comentarios

Los bloques de comentarios, o comentarios multi-línea son áreas de texto ignorados por el programa que se utilizan para las descripciones del código o comentarios que ayudan a comprender el programa. Comienzan con / * y terminan con * / y pueden abarcar varias líneas.

Debido a que los comentarios son ignorados por el compilador y no ocupan espacio en la memoria de Arduino pueden ser utilizados con generosidad.

En Visualino no es posible poner comentarios.

// línea de comentarios

Una línea de comentario empieza con / / y terminan con la siguiente línea de código. Al igual que los comentarios de bloque, los de línea son ignoradas por el compilador y no ocupan espacio en la memoria. Una línea de comentario se utiliza a menudo después de una instrucción, para proporcionar más información acerca de lo que hace esta o para recordarla más adelante.

Guia de Estilo de programación

A la hora de programar Arduino, es fundamental usar la referencia que disponemos online en http://arduino.cc/en/Reference/HomePage o en la ayuda del IDE de Arduino. Cualquier duda sobre un comando, función, etc… debemos consultar en la referencia de Arduino.

Existe una guía de estilo para escribir código claro de Arduino y que sea fácil de entender. No es obligatorio, pero es una recomendación:

  • Documentar al máximo
  • Usar esquemas
  • Predominar la facilidad de lectura sobre la eficiencia del código
  • Poner el setup() y loop() al principio del programa
  • Usar variables descriptivas
  • Explicar el código al principio
  • Usar identación

Guia de estilo: http://arduino.cc/en/Reference/StyleGuide

También disponemos de varias cheat sheets o chuletas para cuando se empieza a programar:

Una buena guía de estilo de C++: http://informatica.uv.es/iiguia/AED/laboratorio/Estilocpp.pdf

Para documentar nuestros sketchs: http://busyducks.com/wp_4_1/2015/11/16/ascii-art-arduino-pinouts/

¿Por Qué Usar Arduino?

Hay muchos otros microcontroladores y plataformas de desarrollo, pero Arduino, además de simplificar el trabajo de programación, ofrece:

  • Software Multiplataforma: Puede trabajar en todas las plataformas (Mac, Windows, Linux).
  • Asequible: Puedes encontrar placas por menos de 15 euros.
  • Entorno de programación simple y directo.
  • Sencillez: Es muy fácil duplicar y modificar las placas y además es legal, al ser open – source hardware, bajo licencia Creative Commons  puedes reunir los componentes y crearte tu propia placa, no pudiendo en este caso llamarla Arduino, nombre registrado para las originales producidas en Italia.
  • Flexible: Añadirle shields (módulos) en función del uso que se le vaya a requerir (conexión a Internet, control de motores, etc.) es muy fácil, y dispones de una gran cantidad de ellos para su compra online.
  • Software ampliable y de código abierto, bajo licencia Creative Commons.

El funcionamiento de la placa a muy grosso modo, para no extendernos con elementos técnicos, se compone de:

  • Conexiones de Entrada: A través de sensores conectados en los pines de entrada, Arduino recibe datos del exterior (entorno)
  • Microcontrolador: Es el cerebro de Arduino, con los datos recibidos del entorno (conexiones de entrada) es donde, a través del lenguaje de programación (open source y con una curva de aprendizaje rápida), nosotros le decimos cómo interpretar la información, qué parámetros buscar y comparar, y por último, qué acciones tomar a modo de respuesta.
  • Conexiones de Salida: Dependiendo del proyecto en el que esté trabajando, y en función de las órdenes que le hayamos dado programando el microcontrolador, Arduino puede conectarse con diversos actuadores (relés, pantallas, motores,…), y sistemas lógicos (otras placas, ordenadores,…) para provocar la respuesta que necesitamos.
  • Comunicaciones: Puertos de comunicación del microcontrolador para conectar con elementos externos.

Placa Arduino https://www.arduino.cc/en/Guide/BoardAnatomy:

Arduino socializa la tecnología, supongamos que desde hace un tiempo tenemos una buena idea que no se puede llevar a cabo porque necesita un conocimiento de electrónica en mayor o menor medida, pero que actualmente no tenemos. Esa idea, habrá pasado de proyecto a obstáculo.

Arduino ayuda a poder hacer el proyecto gracias al open source puesto que tenemos mucha información publicada por la comunidad que se ocupa de recopilar y actualizar de forma gratuita y continua en la red.

Leyendo esos manuales y practicando con el material que han proporcionado (Arduino y la comunidad), comprobamos que en un intervalo de tiempo pequeño (gracias a su corta curva de aprendizaje) somos capaces de ponernos manos a la obra y atrevernos a ir escalando pequeños obstáculos y paredes hasta que encontremos nuestro límite o el del propio material.

También gracias a la comunidad disponemos de mucho código y sobretodo de librerías que nos facilitan la programación abstrayendonos de los aspectos más complejos de bajo nivel y pudiendonos centrar en nuestra idea.

Sin darte cuenta, Arduino proporciona un punto de entrada allí donde antes no veíamos solución, ofrece una primera plataforma de apoyo sobre la que ir apoyando y cimentando las distintas etapas que el proyecto vaya necesitando, a medida que vamos practicando, solucionando problemas y adquiriendo experiencia.

Dada la versatilidad de Arduino que hemos visto anteriormente, encuentras en Internet proyectos tan dispares como un sistema de riego que detecte cuándo necesitan agua las plantas y nos avise al móvil cuando las riega, una alarma contra incendios, escapes de gas e intrusos, un sistema de ventilación automático para que la casa mantenga constante la temperatura, un sistema de control de los ascensores en un edificio, estaciones meteorológicas totalmente autónomas, pilotos automáticos para drones (UAVs), impresoras 3D y por supuesto, el IoT (Internet of Things)