Una señal eléctrica analógica es aquella en la que los valores de la tensión o voltaje varían constantemente y pueden tomar cualquier valor. En el caso de la corriente alterna, la señal analógica incrementa su valor con signo eléctrico positivo (+) durante medio ciclo y disminuye a continuación con signo eléctrico negativo (–) en el medio ciclo siguiente.
Un sistema de control (como un microcontrolador) no tiene capacidad alguna para trabajar con señales analógicas, de modo que necesita convertir las señales analógicas en señales digitales para poder trabajar con ellas.
La señal digital obtenida de una analógica tiene dos propiedades fundamentales:
Valores. Que valor en voltios define 0 y 1. En nuestro caso es tecnología TTL (0 – 5V)
Resolución analógica: nº de bits que usamos para representar con una notación digital una señal analógica:
En el caso de un arduino Uno, el valor de 0 voltios analógico es expresado en digital como B0000000000 (0) y el valor de 5V analógico es expresado en digital como B1111111111 (1023). Por lo tanto todo valor analógico intermedio es expresado con un valor entre 0 y 1023, es decir, sumo 1 en binario cada 4,883 mV.
Arduino Uno tiene una resolución de 10 bits, es decir, unos valores entre 0 y 1023.
Arduino Due tiene una resolución de 12 bits, es decir, unos valores entre 0 y 4095.
Diferencia entre señales analógicas y digitales:
Entradas Analógicas en Arduino
Los microcontroladores de Arduino contienen en la placa un conversor analógico a digital de 6 canales. El conversor tiene una resolución de 10 bits, devolviendo enteros entre 0 y 1023. Los pines analógicos de Arduino también tienen todas las funcionalidades de los pines digitales. Por lo tanto, si necesitamos más pines digitales podemos usar los pines analógicos. La nomenclatura para los pines analógicos es A0, A1, etc…
analogWrite() – escribe un valor analógico (onda PWM) al pin especificado. No en todos los pines digitales se puede aplicar PWM. http://arduino.cc/en/Reference/AnalogWrite
En Visualino disponemos de las funciones para leer de entradas analógicas y escribir en salidas analógicas en la agrupación de bloques “Pin Functions”.
Otras funciones interesantes con entradas/salidas analógicas:
En Visualino estás disponibles las funciones map y random en la agrupación “Math”
Salidas Analógicas. PWM
Como hemos dicho Arduino Uno tiene entradas analógicas que gracias a los conversores analógico digital puede entender ese valor el microcontrolador, pero no tiene salidas analógicas puras y para solucionar esto, usa la técnica de PWM.
Algunos pines digitales pueden usarse como salidas analógicas PWM:
Las Salidas PWM (Pulse Width Modulation) permiten generar salidas analógicas desde pines digitales. Arduino Uno no posee salidas analógicas puras, sin embargo el Arduino Due sí tiene salidas analógicas puras mediante dos DAC. El arduino due, posee dos salidas analógicas puras mediante dos conversores digital a analógico. Estos pines pueden usarse para crear salidas de audio usando la librería correspondiente.
La función para hacer una salida PWM en un pin es:
analogWrite() – escribe un valor analógico (onda PWM) al pin especificado. No en todos los pines digitales se puede aplicar PWM. http://arduino.cc/en/Reference/AnalogWrite
En Visualino disponemos de la función analogWrite() para escribir entradas analógicas con PWM en la agrupación de bloques “Pin Functions”.
La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.
El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período.
duty cycle = (tiempo que la salida está a uno o HIGH)/ (periodo de la función)
Diferentes valores de una señal PWM:
En este ejemplo se ve cómo simular con PWM una onda sinusoidal analógica.
En Arduino la frecuencia de PWM es de 500Hz. Pero es un valor que puede modificarse en caso que lo necesitemos.
En la actualidad existen muchos circuitos integrados en los que se implementa la modulación PWM, por ejemplo para lograr circuitos funcionales que puedan controlar fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones.
No confundir PWM con la función tone() que es utilizada para generar una onda cuadrada de ciclo de trabajo 50% y frecuencia variable, con el fin de emitir sonidos audibles, modificando la frecuencia.
La estructura básica de un sketch de Arduino es bastante simple y se compone de al menos dos partes. Estas dos partes son obligatorios y encierran bloques que contienen declaraciones, estamentos o instrucciones.
setup() es la parte encargada de recoger la configuración y loop() es la que contiene el programa que se ejecuta cíclicamente (de ahí el término loop –bucle-). Ambas funciones son necesarias para que el programa trabaje.
La función de configuración (setup) debe contener la inicialización de los elementos y esta función sólo se ejecuta una vez justo después de hacer el reset y no se vuelve a ejecutar hasta que no haya otro reset. Es la primera función a ejecutar en el programa y se utiliza para configurar, inicializar variables, comenzar a usar librerías, etc…
La función bucle (loop) contiene el código que se ejecutará continuamente (lectura de entradas, activación de salidas, etc). Esta función es el núcleo de todos los programas de Arduino y se usa para el control activo de la placa. La función loop se ejecuta justo después de setup.
Los componentes principales de un sketch de Arduino son:
Variables, son un espacio en memoria donde se almacenan datos y estos datos pueden variar.
Funciones, son un trozo de código que puede ser usado/llamado desde cualquier parte del sketch. A la función se le puede llamar directamente o pasarle unos parámetros, en función de cómo esté definida.
setup() y loop(), son dos funciones especiales que es obligatorio declarar en cualquier sketch.
Comentarios, fundamentales para documentar el proyecto
Se puede resumir un sketch de Arduino en los siguientes diagramas de flujo:
Una vez tenemos el programa hay que compilarlo y mandarlo a Arduino para que se ejecute de forma infinita.
Pasos a seguir:
Abrir la aplicación Arduino
Abrir el sketch que queremos cargar
Leer el programar y entender lo que está haciendo
Seleccionar la placa y el puerto adecuado
Cargar el programa pulsando el botón “subir”. El programa se compila y luego se verá parpadeando los leds Tx y Rx de Arduino, indicando que se está cargando el fichero binario (.hex) en la flash del Arduino. Cuando aparezca el mensaje “subido” habremos acabado.
Un momento después el programa se está ejecutando el Arduino
Cuando cargamos un programa en Arduino, estamos usando el bootloader de Arduino, que es un pequeño programa cargado en el microcontrolador que permite subir el código sin usar hardware adicional. El bootloader está activo unos segundos cuando se resetea la placa, después comienza el programa que tenga cargado el Arduino en su memoria Flash. El led integrado en la placa (pin 13) parpadea cuando el bootloader se ejecuta.
digitalWrite() – Escribe un valor HIGH o LOW en el pin digital especificado. Si el pin está configurado como OUTPUT pone el voltaje correspondiente en el pin seleccionado. Si el pin está configurado como INPUT habilita o deshabilita la resistencia interna de pull up del correspondiente pin. http://arduino.cc/en/Reference/DigitalWrite
En la imagen siguiente se muestra el estado por defecto de una I/O digital en un microcontrolador de Arduino. Se ha simplificado con interruptores la compleja electrónica que hay dentro. Por defecto los digital I/O pins están configurados como inputs en un estado de alta impedancia (equivalente a una resistencia de 100 Mohms en frente del pin), es decir, SW3 a ON y no hace falta llamar a la función pinMode() aunque es recomendable para aclarar el código.
PinMode(x, INPUT) –> SW3 = ON (resto a OFF). Los valores leídos serán aleatorios si el pin de Arduino está al aire. El pin está en un estado de alta impedancia (resistencia de 100 Mohms).
PinMode(x,INPUT_PULLUP) –> SW3 = ON & SW4 = ON (resto a OFF). Los valores leídos sin nada conectado al pin es HIGH. La Resistencia R1 tiene un valor dependiendo del microcontrolador, pero tiene un valor entre 20kOhm y 150kOhm.
PinMode(x, OUTPUT) & digitalWrite(x,HIGH) –> SW2 = ON & SW1 = +5V (resto a OFF). Estado de baja impedancia, no hay resistencia interna y es necesario poner una resistencia adecuada a la salida el pin para no superar los 40mA (source) máximos admitidos
PinMode(x, OUTPUT) & digitalWrite(x,LOW) –> SW2 = ON & SW1 = GND (resto a OFF). Estado de baja impedancia, no hay resistencia interna y es necesario poner una adecuada para no superar los 40mA (sink) máximos admitidos
Entradas y Salidas Analógicas en Arduino
Los microcontroladores de Arduino contienen en la placa un conversor analógico a digital de 6 canales. El conversor tiene una resolución de 10 bits, devolviendo enteros entre 0 y 1023. Los pines analógicos de Arduino también tienen todas las funcionalidades de los pines digitales. Por lo tanto, si necesitamos más pines digitales podemos usar los pines analógicos. La nomenclatura para los pines analógicos es A0, A1, etc…
analogWrite() – escribe un valor analógico (onda PWM) al pin especificado. No en todos los pines digitales se puede aplicar PWM. http://arduino.cc/en/Reference/AnalogWrite
Otras funciones interesantes con entradas/salidas analóicas:
Arduino Uno tiene entradas analógicas que gracias a los conversores analógico digital puede entender ese valor el microcontrolador, pero no tiene salidas analógicas puras y para solucionar esto, usa la técnica de PWM.
Las Salidas PWM (Pulse Width Modulation) permiten generar salidas analógicas desde pines digitales. Arduino Uno no posee salidas analógicas puras.
La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.
El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. duty cycle = (tiempo que la salida está a uno o HIGH)/ (periodo de la función)
En Arduino la frecuencia de PWM es de 500Hz. Pero es un valor que puede modificarse en caso que lo necesitemos. Definición de PWM en la web de Arduino: http://arduino.cc/en/Tutorial/PWM
Leer el voltaje a la salida de un potenciómetro y sacarlo por consola. Conectar el potenciómetro en la entrada analógica A0, leer su valor e iluminar el LED en función del valor leído de forma proporcional mediante una salida analógica PWM.
Sacar por el serial plotter los valores de la entrada analógica, el valor en voltios y el valor aplicado al PWM.
Los valores de la lectura de la entrada analógica van de 0 para 0V hasta 1023 para 5V.
Los valores de la salida PWM van desde 0 para 0V hasta 255 para 5V.
Usando el mismo esquema del ejercicio anterior, leer la entrada analógica llegada de un potenciómetro y sacar por el puerto serie la media de los últimas 10 lecturas. Luego hacer una transición más suave al escribir en el led usando el valor medio de las últimas 10 lecturas (pin PWM).
Hacer una versión con más transición de forma que si cambia la media (outputValue) respecto del valor anterior aplicado, hacer una transición de 5 en 5 valores. Ver como en este caso el tiempo de loop aumenta por esta transición
Ejercicio propuesto: Hacer una versión del coche fantástico pero haciendo que haya un led encendido al 100% y los de al lado al 50% y los siguientes al 25%.
Generar Tonos
Ver el funcionamiento de la función tone() para generar notas. Tone() genera una onda cuadrada de una frecuencia específica y con un 50% de duty cycle en el pin especificado. La duración del tono puede ser especificado o en caso contrario continúa hasta llamar a la función noTone().
Solo un tono puede ser generado simultáneamente, si un tono ya se está ejecutando en otro pin, la llamada a tone() no tendrá efecto.
NOTA: no confundir tone con PWM. PWM tiene una frecuencia fija de 500Hz, por lo que entre línea verde y verde hay siempre 2ms. En el caso de tone la señal siempre tiene un duty cycle del 50%.
Una señal eléctrica analógica es aquella en la que los valores de la tensión o voltaje varían constantemente y pueden tomar cualquier valor. En el caso de la corriente alterna, la señal analógica incrementa su valor con signo eléctrico positivo (+) durante medio ciclo y disminuye a continuación con signo eléctrico negativo (–) en el medio ciclo siguiente.
Un sistema de control (como un microcontrolador) no tiene capacidad alguna para trabajar con señales analógicas, de modo que necesita convertir las señales analógicas en señales digitales para poder trabajar con ellas.
La señal digital obtenida de una analógica tiene dos propiedades fundamentales:
Valores. Que valor en voltios define 0 y 1. En nuestro caso es tecnología TTL (0 – 5V)
Resolución analógica: nº de bits que usamos para representar con una notación digital una señal analógica:
En el caso de un arduino Uno, el valor de 0 voltios analógico es expresado en digital como B0000000000 (0) y el valor de 5V analógico es expresado en digital como B1111111111 (1023). Por lo tanto todo valor analógico intermedio es expresado con un valor entre 0 y 1023, es decir, sumo 1 en binario cada 4,883 mV.
Arduino Uno tiene una resolución de 10 bits, es decir, unos valores entre 0 y 1023.
Arduino Due tiene una resolución de 12 bits, es decir, unos valores entre 0 y 4095.
Diferencia entre señales analógicas y digitales:
Entradas Analógicas en Arduino
Los microcontroladores de Arduino contienen en la placa un conversor analógico a digital de 6 canales. El conversor tiene una resolución de 10 bits, devolviendo enteros entre 0 y 1023. Los pines analógicos de Arduino también tienen todas las funcionalidades de los pines digitales. Por lo tanto, si necesitamos más pines digitales podemos usar los pines analógicos. La nomenclatura para los pines analógicos es A0, A1, etc…
analogWrite() – escribe un valor analógico (onda PWM) al pin especificado. No en todos los pines digitales se puede aplicar PWM. http://arduino.cc/en/Reference/AnalogWrite
Otras funciones interesantes con entradas/salidas analóicas:
Como hemos dicho Arduino Uno tiene entradas analógicas que gracias a los conversores analógico digital puede entender ese valor el microcontrolador, pero no tiene salidas analógicas puras y para solucionar esto, usa la técnica de PWM.
Algunos pines digitales pueden usarse como salidas analógicas PWM:
Las Salidas PWM (Pulse Width Modulation) permiten generar salidas analógicas desde pines digitales. Arduino Uno no posee salidas analógicas puras, sin embargo el Arduino Due sí tiene salidas analógicas puras mediante dos DAC. El arduino due, posee dos salidas analógicas puras mediante dos conversores digital a analógico. Estos pines pueden usarse para crear salidas de audio usando la librería correspondiente.
La función para hacer una salida PWM en un pin es:
analogWrite() – escribe un valor analógico (onda PWM) al pin especificado. No en todos los pines digitales se puede aplicar PWM. http://arduino.cc/en/Reference/AnalogWrite
La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulse-width modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.
El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el período. duty cycle = (tiempo que la salida está a uno o HIGH)/ (periodo de la función)
Diferentes valores de una señal PWM:
En este ejemplo se ve cómo simular con PWM una onda sinusoidal analógica.
En Arduino la frecuencia de PWM es de 500Hz. Pero es un valor que puede modificarse en caso que lo necesitemos.
En la actualidad existen muchos circuitos integrados en los que se implementa la modulación PWM, por ejemplo para lograr circuitos funcionales que puedan controlar fuentes conmutadas, controles de motores, controles de elementos termoeléctricos, choppers para sensores en ambientes ruidosos y algunas otras aplicaciones.
No confundir PWM con la función tone() que es utilizada para generar una onda cuadrada de ciclo de trabajo 50% y frecuencia variable, con el fin de emitir sonidos audibles, modificando la frecuencia.
Aprendiendo Arduino 