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Prácticas: Ejemplos Sencillos Programación Arduino

Hacer unos ejemplos sencillos de programación para evaluar el conocimiento de cada alumno con el montaje de prácticas.

Todos los ejercicios se subirán al repositorio llamado “Curso Programacion Arduino 2019” de cada alumno haciendo un commit y un Pull.

Luego todos los alumnos podrán ver las soluciones propuestas por cada uno y comprobaremos que para un mismo problema hay muchas soluciones diferentes. También el profesor pondrá su solución (no tiene porque ser la mejor) y hacer correcciones a los códigos propuestos por los alumnos.

Montaje Arduino UNO:

Montaje Wemos:

Ejercicio03 – Leer LDR y mostrar Gráfica

Ejercicio03. Leer el valor del LDR cada 500ms y mostrarlo por el Serial Monitor y Serial Plotter. Usar delay para grabar cada 500ms.

También calcular el máximo y mínimo, mostrándolo por la pantalla LCD. Usar las funciones:

Esto nos puede servir para calibrar un elemento y conocer su máximo y mínimo para luego en función de esos valores regular otro elemento como la intensidad de un LED.

Solución: https://codeshare.io/5zeYvb

Hacer commit y pull del código en el repositorio de cada alumno “Curso Programacion Arduino 2019” que esté en una carpeta llamada Ejercicio03-LDR

Ejercicio04 – Contar pulsos

Ejercicio04. Contar las veces que se pulsa (flanco ascendente) del botón A y B y mostrar por el monitor serie el total de pulsaciones de ambos botones cada vez que cambia el valor de alguno de los contadores.

Mostrar también los datos por la pantalla LCD.

Solución: https://codeshare.io/ad9x4Z

Hacer commit y pull del código en el repositorio “Curso Programacion Arduino 2019” que esté en una carpeta llamada Ejercicio04-Cuenta_Pulsos

Ejercicio05 – Mover Servo

Ejercicio05. Mover el servo entre las posiciones de 10º a 170º en función del valor leído en el potenciómetro.

Imprimir por la pantalla LCD la posición del servo.

Solución: https://codeshare.io/G86LVD

Hacer commit y pull del código en el repositorio “Curso Programacion Arduino 2019” que esté en una carpeta llamada Ejercicio05-Servo

Ejercicio06 – Contar Pulsos Wemos D1 Mini

Ejercicio06. Contar las veces que se pulsa el pulsador y mostrar por la pantalla oled el número de pulsaciones y el tiempo entre pulsaciones.

También crear un servidor web que muestre los datos de pulsaciones. 

Solución: https://codeshare.io/axwpzN

Hacer commit y pull del código en el repositorio “Curso Programacion Arduino 2019” que esté en una carpeta llamada Ejercicio06-Cuenta_Pulsos_Wifi

Montaje Prácticas

Para el curso vamos a usar un entorno de trabajo fijo con diversas entradas y salidas analógicas y digitales, que una vez montado se usará en diferentes prácticas.

Para hacer el montaje se usará una protoboard por separado y no la protoboard que viene con el kit de Arduino. Este montaje no se desmontará durante todo el curso.

Esquemas fritzing disponibles en: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Programacion_Arduino_2019/tree/master/Esquemas%20Montajes%20Pr%C3%A1cticas%20Fritzing

Montaje Arduino UNO

Elementos:

  • PIN 2: Botón A. Resistencia pullup interna
  • PIN 3: Botón B. Resistencia pulldown externa
  • PIN 4: LED 1
  • PIN 5: LED 2 (PWM)
  • PIN 6: LED 3 (PWM)
  • PIN 7: LED 4
  • PIN 8: Buzzer
  • PIN 9: Servo
  • PIN 11: Sonda DHT11
  • PIN A0: Potenciómetro (Usar potenciómetro grande)
  • PIN A1: LDR
  • I2C (Pines SDA – A4 y SCL – A5): Pantalla LCD I2C

Montaje Wemos D1 Mini

Pines Wemos D1 Mini: https://steve.fi/Hardware/d1-pins/

Elementos:

Botones/Pulsadores

Botón A con resistencia pull-up interna.

Botón B con resistencia de pull-down externa de 10 Kohms

NOTA: Muy buen tutorial para entender las resistencias de pullup y pulldown http://www.instructables.com/id/Understanding-the-Pull-up-Resistor-With-Arduino/ 

LEDs

Un LED al ser un diodo tiene una caída de tensión que depende del tipo y del color del LED. Para usar un LED es imprescindible poner una resistencia adecuada a cada led. Según la 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.

Circuito LED: https://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_de_LED 

La fórmula a usar para calcular el valor correcto de la resistencia del circuito es:

Donde:

  • Voltaje de la fuente de alimentación, es el voltaje aplicado al circuito (5 voltios en el caso de Arduino)
  • Caída de voltaje del LED, es el voltaje necesario para el funcionamiento del LED, generalmente está entre 1.7 y 3.3 voltios, depende del color del diodo y de la composición de metales.
  • Rango de corriente del LED, es determinado por el fabricante, usualmente está en el rango de unos pocos miliamperios. A más corriente más iluminación. Para Arduino el valor máximo será de 20 mA.

Buzzer

Zumbador, buzzer en inglés, es un transductor electroacústico que produce un sonido o zumbido continuo o intermitente

El zumbador usado es: https://www.arduino.cc/documents/datasheets/PIEZO-PKM22EPPH4001-BO.pdf

Para usar el buzzer usaremos la función Tone() de Arduino. 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().

Para más información: Función tone(): https://www.arduino.cc/en/Reference/Tone

Servomotor

Servomotor (o también llamado servo) es similar a un motor de corriente continua pero con la capacidad de posicionarse en una posición determinada y permanecer fija en esta. Normalmente el ángulo es de 0 a 180 grados y se alimentan a 5 voltios mínimo.

Para controlar un servo, se usa el PWM. La mayoría de los servos trabaja en una frecuencia de 50 Hz (20ms). Cuando se manda un pulso, la anchura de este determina la posición angular del servo. La anchura varía según el servomotor pero normalmente es entre 0,5ms a 2,5ms.

En Arduino se utiliza la librería <Servo.h> para controlar los servos y generar las señales adecuadas para manejarlos. Dispone entre otras de las siguientes funciones:

Potenciómetro

Un potenciómetro es una resistencia cuyo valor de resistencia es variable. De esta manera, indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que fluye por un circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en serie.

LDR

Se trata de un sensor que actúa como una resistencia variable en función de la luz que capta. A mayor intensidad de luz, menor resistencia: el sensor ofrece una resistencia de 1M ohm en la oscuridad, alrededor de 10k ohm en exposición de luz ambiente, hasta menos de 1k ohm expuesto a la luz del sol.

El LDR actúa como una resistencia variable. Para conocer la cantidad de luz que el sensor capta en cierto ambiente, necesitamos medir la tensión de salida del mismo. Para ello utilizaremos un divisor de tensión, colocando el punto de lectura para Vout entre ambas resistencias. De esta forma:

Donde Vout es el voltaje leído por el PIN analógico del Arduino y será convertido a un valor digital, Vin es el voltaje de entrada (5v), R2 será el valor de la resistencia fija colocada (10k ohm generalmente) y R1 es el valor resistivo del sensor LDR. A medida que el valor del sensor LDR varía, obtendremos una fracción mayor o menor del voltaje de entrada Vin.

El LDR que usamos: Photoresistor [VT90N2 LDR]

Sensor DHT11

Sensor de humedad y temperatura DHT11. Es lo suficientemente exacta para la mayoría de los proyectos que necesitan hacer un seguimiento de las lecturas de humedad y temperatura. Es unas de las sondas más populares.

Parámetros del producto:

  • Humedad relativa:
    • Resolución: 16 bits
    • Repetibilidad: ±1% H.R.
    • Precisión: 25 ° C ± 5% hr
    • Histéresis: < ± 0.3% RH
    • Estabilidad a largo plazo: < ± 0.5% hr / año
  • Temperatura:
    • Resolución: 16 bits
    • Repetibilidad: ±0. 2 ° C
    • Precisión: 25 ° C ± 2° c
  • Características eléctricas
    • Fuente de alimentación: DC 3.5 ~5.5V
    • Corriente: medición 0.3mA
    • Espera 60μA
    • Periodo de muestreo: más de 2 segundos
  • Descripción pines:
    • VDD alimentación 3,5~5.5V DC
    • serie de datos, un solo bus
    • NC, pin vacío
    • GND tierra, la energía negativa

Datasheet y protocolo sonda DHT11: https://akizukidenshi.com/download/ds/aosong/DHT11.pdf

Librerías:

Pantalla LCD I2C

Pantalla LCD I2C. La pantalla tiene una retroiluminación de LED y puede mostrar dos filas con hasta 16 caracteres en cada fila.

El controlador de LCD I2C es un dispositivo que nos permite controlar una pantalla a través del bus I2C, usando únicamente dos cables.

Librería LiquidCrystal_I2C del gestor de librerías: https://github.com/marcoschwartz/LiquidCrystal_I2C

La dirección I2C por defecto del módulo puede ser 0x3F o en otros casos 0x27. Es muy importante identificar correctamente la dirección I2C de nuestro módulo, pues de otra forma nuestro programa no funcionará correctamente. Para identificar la dirección específica de nuestro módulo podemos utilizar un pequeño sketch de prueba llamado: I2C Scanner, el cual nos permite identificar la dirección I2C del dispositivo conectado al Arduino.

Más información: https://www.naylampmechatronics.com/blog/35_Tutorial–LCD-con-I2C-controla-un-LCD-con-so.html

Wemos D1 Mini

Wemos son una serie de placas de prototipado con chip ESP8266 integrado para conexión WiFi. Hay varios modelos y la página web oficial es https://www.wemos.cc/

Vamos a usar la Wemos D1 Mini: https://wiki.wemos.cc/products:d1:d1_mini 

Shields Wemos D1 Mini

Fritzing parts: https://github.com/mcauser/Fritzing-Part-WeMos-D1-mini-Shields

Relay Shield

Web: https://wiki.wemos.cc/products:d1_mini_shields:relay_shield

Por defecto usa el pin D1, pero es configurable.

Wemos RGB LED Shield

Web: https://wiki.wemos.cc/products:d1_mini_shields:rgb_led_shield

Por defecto usa el pin D4, pero es configurable.

NOTA: La shield led RGB de un pin va al pin D2: https://wiki.wemos.cc/products:d1_mini_shields:ws2812b_rgb_shield

Wemos mini Oled Shield

Web: https://wiki.wemos.cc/products:d1_mini_shields:oled_shield

Pantalla I2C – Pines SDA – D2 y SCL – A1

Librería Pantalla: https://github.com/mcauser/Adafruit_SSD1306/tree/esp8266-64×48

Librería Botones: https://github.com/wemos/LOLIN_OLED_I2C_Button_Library (En la versión disponible para prácticas no dispone de los botones)

Características

  • Screen Size: 64×48 pixels (0.66” Across)
  • Operating Voltage: 3.3V
  • Driver IC: SSD1306 (I2C Address: 0x3C or 0x3D)
  • 2x I2C Button (customizable I2C Address, default:0x31)

Ejercicio01 – Testeo del Circuito Arduino

Para comprobar que todo funciona ejecutar el programa de testeo. Para ello coger el código de https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Programacion_Arduino_2019/blob/master/Ejercicio01-Comprueba_Entorno_Arduino/Ejercicio01-Comprueba_Entorno_Arduino.ino.

Todo el código que haga cada alumno lo guardará en su repositorio de github llamado: “Curso Programacion Arduino 2019”. Cada ejercicio se guardará en un directorio con el nombre EjercicioXX y dentro el código.

Pasos a seguir:

Ejecutar todos los test del Ejercicio01 y comprobar que funciona todo correctamente.

En caso que algo no funcione a lo largo del curso, usar este sketch para comprobar que la parte hardware funciona correctamente.

Tests:

  • 1 – Muestra Texto Pantalla
  • 2 – Prueba Botones (comprobar pulsaciones correctas)
  • 3 – Prueba LEDs (Iluminación LEDs)
  • 4 – Prueba PWM LEDs (No todos los LEDs son PWM)
  • 5 – Prueba Potenciómetro (comprobar que va de 0 a 1023)
  • 6 – Prueba LDR (ver valores máximo y mínimo. Anotarlos)
  • 7 – Sonda temperatura (comprueba valores) DHT11
  • 8 – Test Servo (comprobar el movimiento completo)
  • 9 – Test Buzzer (comprobar sonido)

IMPORTANTE: después de ejecutar los test o mientras se ejecutan, leer el código, entenderlo y preguntar todo aquello que no se entienda.

NOTA:  Las funciones de testeo de cada componente se pueden usar como plantilla para los ejercicios propuestos a lo largo del curso.

Ejercicio02 – Testeo del Circuito Wemos D1 Mini

Pasos a seguir:

Ejecutar todos los test del Ejercicio02 y comprobar que funciona todo correctamente.

Código: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Programacion_Arduino_2019/blob/master/Ejercicio02-Comprueba_Entorno_ESP8266/Ejercicio02-Comprueba_Entorno_ESP8266.ino

En caso que algo no funcione a lo largo del curso, usar este sketch para comprobar que la parte hardware funciona correctamente.

Tests:

  • 1 – Muestra IP Arduino
  • 2 – Test Cliente Web (comprobar respuesta del servidor)
  • 3 – Test Servidor Web (comprobar servidor embebido en Arduino)
  • 4 – Prueba Pulsador (comprobar pulsaciones correctas)
  • 5 – Prueba Relé Shield
  • 6 – Prueba Neopixel Shield
  • 7 – Prueba Pantalla Oled Shield

Servo con Arduino

Servo es un tipo de motor DC con reductora que sólo puede girar 180 grados. Se controla mediante el envío de impulsos eléctricos de Arduino. Estos pulsos le dice al servo a qué posición se debe mover.

Un servomotor está formado por un motor de corriente continua, una caja reductora, un juego de engranajes, un potenciómetro y un circuito de control. Puede aguantar cierto peso a través del par o torque del servo indicado en sus características. Normalmente se indica con Kg/cm, que quiere decir los kilos que aguanta a 1 cm de distancia.

Para controlar un servo, se usa el PWM. La mayoría trabaja en una frecuencia de 50 Hz (20ms). Cuando se manda un pulso, la anchura de este determina la posición angular del servo. La anchura varía según el servomotor pero normalmente es entre 0,5ms a 2,5ms.

El Arduino utiliza la librería <Servo.h> para controlar los servos y usa las siguientes funciones:

Todos los servos tienen 3 cables de conexión uno para positivo DC (normalmente 5-6V), otro para masa y el tercero para la señal.

Los tamaños de los servos son:

Servo de rotación continua

Un servo de rotación continua es un motor cuyo circuito electrónico nos permite controlar la dirección de giro. A diferencia del servos anteriormente mencionados, no se detiene en una posición, sino que gira continuamente. Son muy utilizados en robótica y en muchas aplicaciones electrónicas, como en lectores de DVD.

En un servo de rotación continua, la función write() configura la velocidad del servo en lugar del ángulo de posición. En este caso 0 es máxima velocidad en giro contrario al sentido horario, 180 es máxima velocidad en sentido horario y 90 motor parado.

Trucar un servo a rotación continua: http://www.ardumania.es/trucar-servo-a-rotacion-continua/

Librerías Arduino Instaladas

Las librerías son trozos de código reutilizables hechos por terceros que usamos en nuestro sketch. Esto nos facilita mucho la programación y hace que nuestro programa sea más sencillo de hacer y de entender. En este curso no veremos como hacer o modificar una librería pero debemos ser capaces de buscar una librería, instalarla, aprender a usar cualquier librería y usarla en un sketch.

Las librerías son entre otras cosas colecciones de código que facilitan la interconexión de sensores, pantallas, módulos electrónicos, etc. El entorno de arduino ya incluye algunas librerías de manera que facilita, por ejemplo, mostrar texto en pantallas LCD.

Varias librerías vienen instaladas con el IDE, pero también puede descargar o crear las suyas propias. Las librerías instaladas en el IDE de Arduino son: https://www.arduino.cc/en/Reference/Libraries entre ellas la librería servo https://www.arduino.cc/en/Reference/Servo

Para añadir una librería a nuestro proyecto simplemente se añade a nuestro código la palabra clave #include seguido del nombre de la librería entre los caracteres “<” y “>”.

Esto también se puede hacer desde el IDE en el menú Programa – Incluir Librería y seleccionar la librería que deseamos incluir y está instalada.

Ejemplo de Uso de Servo con Arduino

Conexión servo:

Servo SG90 pinout:

Se usa la librería Servo https://www.arduino.cc/en/Reference/Servo instalada por defecto en el IDE de Arduino.

Instalar el código: https://github.com/jecrespo/Arduino-Kit-China-Guide/blob/master/05-Servo/servo/servo.ino

Ver en Serial plotter el ángulo en el que se mueve y cambiar el delay para que vaya más rápido o lento.

Servo con Arduino

Servo es un tipo de motor DC con reductora que sólo puede girar 180 grados. Se controla mediante el envío de impulsos eléctricos de Arduino. Estos pulsos le dice al servo a qué posición se debe mover. El Servo tiene tres cables, marrón es el cable a masa y debe conectarse a GND, el rojo es el cable de corriente y debe conectarse al puerto de 5v y el naranja es el cable de señal y debe conectarse al pin #9.

Se usa la librería Servo https://www.arduino.cc/en/Reference/Servo instalada por defecto en el IDE de Arduino.

Instalar el código: https://github.com/jecrespo/Arduino-Kit-China-Guide/blob/master/05-Servo/servo/servo.ino

Ver en Serial plotter el ángulo en el que se mueve y cambiar el delay para que vaya más rápido o lento.

Proyectos Básicos con Arduino

Proyectos básicos de programación Arduino con mBlock. mBlock es un entorno gráfico de programación por bloque para Arduino, que permite introducir de forma sencilla la programación y robótica en el aula.

mBlock se compone de 5 partes principalmente:

  • Grupo de instrucciones clasificadas por colores en las siguientes categorías:
    • Movimiento: Conjunto de instrucciones relacionadas con el control de los pines de la tarjeta de Arduino, así como el control del movimiento de cualquier personaje del escenario.
    • Apariencia: Instrucciones orientadas a modificar el aspecto de los personajes de nuestra aplicación. Para el caso de Arduino, es un conjunto de instrucciones que apenas se utiliza.
    • Sonido: Conjunto de instrucciones relacionadas con la elaboración de aplicaciones musicales, emitiendo sonidos y notas musicales.
    • Lápiz: Scratch nos ofrece la posibilidad de que los personajes dejen un rastro durante sus movimientos por el escenario como si arrastrase un lápiz durante su trayectoria.
    • Control: Las instrucciones incluídas en esta sección son impresindibles para crear la lógica de nuestros programas. Incluyen condicionales, bucles y llamadas de procedimientos.
    • Sensores: Instrucciones de iteración con el ratón, el teclado, sonidos y los personajes.
    • Operadores: operaciones matemáticas, lógicas y con cadenas de texto.
    • Variables: Instrucciones para el almacenamiento y gestión de datos.
  • Instrucciones de programación: Las instrucciones de cada grupo corresponden a instrucciones de programación.
  • Editor: Es la parte principal donde estructuramos y programamos nuestro programa.
    • Programas: Se compone de todas las instrucciones que hace funcionar el código que programemos.
    • Disfraces: Cada objeto puede tener diferentes apariencias o disfraces para utilizar a lo largo de nuestro programa.
    • Sonido: También es posible añadir o grabar sonidos y guardarlos para futuros usos.
  • Escenario o ventana principal: Es el resultado de nuestro programa.
  • Objetos y sprites: Distinguimos principalmente los objetos de tipo Arduino y Sprites.
    • Los objetos de tipo arduino son aquellos que interactuán con Arduino.
    • Los sprites son similares al entorno de scratch y no interactúan con Arduino.

Instalar mBlock es muy sencillo, toda las instrucciones están disponibles desde la web: https://www.makeblock.es/soporte/mblock/

Web de descarga: http://www.mblock.cc/software/

mBlock ha sacado una beta de un entorno de programación on-line en http://editor.makeblock.com/ide.html

Más información sobre mBlock: https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2017/09/08/programacion-visual-con-mblock/

Modo Ejecutar Programa desde PC

En este modo es necesario siempre tener el Arduino o el robot siempre conectado al PC.

Para usar este modo comenzaremos el programa con un bloque de la categoría “Eventos”, normalmente con el bloque de la bandera verde. Y debajo de este colocamos el resto de bloques del programa.

Para ejecutar el programa desde el PC, primero tenemos que seleccionar la placa y el puerto serie al que esté conectado el Arduino. Conectamos el cable USB al Arduino y seleccionamos la placa en “Placas->Arduino UNO” y el puerto en “Conectar->Puerto Serie”.

A continuación “Conectar > Actualizar Firmware” y esperamos a que termine de cargarlo.

Tutoriales de uso:

Modo Subir Programa a Arduino

En este modo no cargamos un firmware a la placa sino que sube el programa al Arduino. En este modo usamos como inicio del programa el bloque “Programa de Arduino” que se encuentra en la categoría “Robots”.

Para este modo pulsamos sobre el bloque “Programa de Arduino”  o vamos a “Editar->Modo Arduino”. En la parte derecha de la pantalla aparecerá una pantalla con algunas opciones nuevas y el equivalente en código del programa que hemos hecho con los bloques.

Luego para subir el sketch al ordenador pulsamos sobre el botón “Subir a Arduino” y esperamos a que termine de cargar.

Tutorial para usar Arduino con mBlock:

Más información:

Semáforo Simple

En esta práctica vamos a crear un semáforo simple con una frecuencia de cambio de 5 segundos en verde y rojo, y 1 segundo durante su estado en ámbar.

Tutorial: https://github.com/ElCableAmarillo/Listado-de-practicas/tree/master/Salidas-digitales/Sem%C3%A1foro-simple

Movimiento de un Servomotor

En esta práctica el servomotor se mueve desde su posición origen a su posición final en ángulos de 10° repetidamente.

Tutorial: https://github.com/ElCableAmarillo/Listado-de-practicas/tree/master/Salidas-anal%C3%B3gicas/Movimiento-de-un-servomotor

Pulsador Simple

En esta práctica vamos a programar un interruptor para encender un led en un momento dado.

Tutorial: https://github.com/ElCableAmarillo/Listado-de-practicas/tree/master/Entradas-digitales/Pulsador-simple

Detectando Colores

En esta práctica tenemos que detectar los colores por los cuales se mueve nuestro personaje para activar los diferentes diodos Led de la placa de prototipado.

Tutorial: https://github.com/ElCableAmarillo/Listado-de-practicas/tree/master/Pr%C3%A1cticas-de-iniciaci%C3%B3n/mBlock/Detectando-colores

Brújula con Servo

En esta práctica vamos a mover un servo mediante las flechas del teclado y activando sendos diodos Led al final de carrera.

Tutorial: https://github.com/ElCableAmarillo/Listado-de-practicas/tree/master/Pr%C3%A1cticas-de-iniciaci%C3%B3n/mBlock/Br%C3%BAjula-con-servo

Más sobre programación por bloques en el Taller de Programación Visual Arduino: https://www.aprendiendoarduino.com/talleres-arduino/arduino-day-2018-logrono/taller-programacion-visual-arduino/

Más información: