Arduino o microcontroladores para todos
Arduino o microcontroladores para todosFecha de publicación: 24-11-2020 🕒 10 lectura min
Todos los entusiastas de la electrónica al menos han oído hablar de Arduino, porque gracias a sus características únicas ha ganado una inmensa popularidad. Hoy en día, la empresa, fundada y desarrollada por entusiastas, dicta los estándares de conectores y distribución de señales a grandes corporaciones: fabricantes de microcontroladores o placas de evaluación. ¿Qué es Arduino y por qué se ha convertido en un estándar informal en educación y creación de prototipos? Y finalmente, ¿cuáles son los tipos de Arduino?, ¿qué puedes hacer con Arduino y cómo usarlos para tus necesidades?
Arduino: la elección perfecta para programadores novatos
Si vamos a aprender a programar microcontroladores, entonces la plataforma Arduino es una gran elección. Del mismo modo, si nos apasiona la electrónica, tenemos una idea y queremos hacer rápidamente un dispositivo basado en un microcontrolador y periféricos estándar, como: pantallas alfanuméricas, gráficas, LED, LCD con o sin botones asociados, sensores, módulos de transmisión, controladores para motores o solenoides y mucho, mucho más. También vale la pena buscar la plataforma Arduino si queremos producir una serie corta de dispositivos en los que el "corazón" será un microcontrolador, que no necesariamente cooperará con los módulos de expansión Arduino.
Arduino: ¿qué es?
¿Qué es Arduino? No es solo una placa de microordenador (que suele decir "Arduino" lo decimos en serio), sino una plataforma completa basada en hardware y software fáciles de usar. Es importante destacar que es una plataforma de código abierto, lo que significa acceso a documentación detallada y gratuita, así como a diagramas y fuentes de programas. Normalmente, un dispositivo basado en la plataforma Arduino consiste en una placa base con un microcontrolador y un módulo de extensión adjunto, llamado shield.
La mayoría de las placas base Arduino tienen una interfaz USB para programar con una PC. En algunas placas, las señales del microcontrolador se dirigen a los enchufes a los que están conectados los módulos de expansión, y en algunos a los puntos de soldadura. Debido al hecho de que dichas placas se ofrecen como módulos en miniatura, algunas personas se refieren a ellas coloquialmente como "microcontrolador Arduino" o "microordenador Arduino".
Figura. 1. Módulo de extensión con pantalla LED y botones. Con su ayuda, puedes hacer fácilmente un reloj.
Programación en Arduino
Sintaxis del lenguaje de programación de Arduino es similar al lenguaje C++ y se ha vuelto muy popular entre los programadores de microcontroladores. La fortaleza del entorno de desarrollo Arduino es la disponibilidad de numerosas bibliotecas listas para facilitar la creación del programa y la innumerable cantidad de aplicaciones listas para usar desarrolladas por usuarios de esta plataforma de todo el mundo. Es importante destacar que el entorno de desarrollo está generalmente disponible, sin importar para qué fines se utilice. Del mismo modo, la placa base en sí, si no queremos comprarla, podemos hacerla nosotros mismos en base a la documentación disponible.
Una breve historia de la creación de Arduino
La idea de Arduino nació en Italia, en el Ivrea Interaction Design Institute. La plataforma Arduino iba a ser diseñada para prototipos rápidos y programación de aprendizaje por parte de estudiantes que no se habían ocupado antes de la electrónica y la programación. Los creadores de Arduino tuvieron una gran idea, porque funcionó no solo en la universidad, sino también fuera de ella, ayudando a muchas personas a aprender o implementar ideas rápidamente.Después de que la plataforma Arduino se moviera más allá de la universidad y fuera adoptada por un grupo mucho más amplio de usuarios, tuvo que adaptarse a nuevos desafíos y satisfacer nuevas necesidades. Al mismo tiempo, la oferta de placas base se ha diversificado significativamente, incluyendo no solo unidades simples de 8 bits, sino también más extensas, destinadas a su uso en dispositivos IoT, dispositivos portátiles, impresoras 3D y otras aplicaciones aún más exigentes. Todas las placas Arduino se basan en los principios de la licencia de código abierto, lo que permite a los usuarios crearlas y adaptarlas a necesidades específicas. El software también es de código abierto y se desarrolló gracias al trabajo de usuarios de todo el mundo.
¿Por qué Arduino?
Hasta hace unos años, cada fabricante de placas de evaluación o microcontroladores tenía su propio estándar de conectores, hoy la mayoría de ellos se ajustan al "estándar" informal introducido por Arduino. Probablemente la razón principal además de la popularidad de la misma Arduino, es la disponibilidad de una gran cantidad de módulos de expansión (es decir, shield – aquí). Si los pines de la placa de evaluación ofrecida son compatibles con los de Arduino, el usuario tiene la oportunidad de utilizar libremente la enorme oferta de módulos de expansión para Arduino, lo que permite lograr de manera fácil, económica y rápida la funcionalidad esperada del prototipo. También ofrece una ventaja para el fabricante de la placa de evaluación, ya que puede centrarse en la aplicación del microcontrolador en sí, rodeándolo con solo un conjunto mínimo de componentes cooperantes y reduciendo así su precio final.
Figura. 2. Módulo de extensión con módem GSM. Será útil para construir una alarma con notificación.
Debido a la facilidad de uso, disponibilidad y las diversas necesidades de los usuarios, entre los proyectos implementados con el uso de Arduino se pueden encontrar soluciones a numerosos problemas e implementaciones de casi cualquier dispositivo. Puede utilizarlos directamente o como proyecto de referencia. El software de desarrollo de aplicaciones (Arduino IDE) es muy fácil de usar para principiantes, pero flexible y ofrece muchas posibilidades para usuarios avanzados. Se pueden ejecutar en sistemas operativos Mac OS, Windows y Linux. Como resultado, está disponible para usuarios con diferentes preferencias de hardware y con varios bolsillos.
Es imposible contar todos los usos de Arduino, porque es igualmente utilizado por profesionales y aficionados. Los profesores y estudiantes usan Arduino para realizar instrumentos de medición económicos, no solo para cantidades eléctricas, sino también para su uso en experimentos químicos y físicos. En las escuelas de todo el mundo se utiliza para aprender programación y robótica. Los diseñadores y arquitectos usan Arduino para construir prototipos de edificios interactivos, los músicos y artistas lo usan para crear instalaciones de arte interactivas y experimentar con nuevos tipos de instrumentos musicales. Para muchas personas, la plataforma Arduino es una herramienta clave para aprender nuevas habilidades. Cualquiera puede usarlo: niños, aficionados, artistas, programadores, creadores de dispositivos y muchos más. Cualquiera puede construir un dispositivo siguiendo las instrucciones paso a paso del kit o compartiendo ideas en línea con otros miembros de la comunidad Arduino.
¿Qué Arduino debo elegir?
Normalmente, para hacer un prototipo o dispositivo construido en la plataforma Arduino, necesitamos una placa base equipada con un tipo de microcontrolador apropiado para nuestras necesidades, un módulo de extensión, una superposición shield, software Arduino IDE, cable USB, fuente de alimentación y PC. Actualmente, el ecosistema incluye varios tipos de Arduino, con diferentes microcontroladores y una gran cantidad de módulos de expansión. En las fotos 1-3 se muestran ejemplos de módulos.
Dependiendo del tipo, las placas Arduino están equipadas con conectores: enchufes de clavija dorada o puntos de soldadura, que se pueden usar no solo para conectar la placa, sino también para conectarla a la PCB de los dispositivos integrados, si el microordenador Arduino actúa como la unidad central. Cada uno tiene un cargador de arranque almacenado en la memoria del microcontrolador, que se usa para programar el procesador “in-circuit” (sin desoldar del sistema) simplemente seleccionando opciones del menú IDE de Arduino.
Figura 3. Módulo de ampliación con interfaz Ethernet. Puede ser útil para dispositivos de automatización del hogar.
La lista actual de placas base Arduino está en la tabla. La mayoría de ellos usa microcontroladores con núcleo AVR, pero también puede encontrar procesador Intel y SAM21 con núcleo ARM Cortex-M0 +. Cabe mencionar que la tabla no incluye placas equipadas con procesadores Espressif Systems (p.ej. el popular ESP8266), y también se pueden programar usando el IDE de Arduino. Al elegir una PCB para la aplicación, debe seguir las capacidades del microcontrolador montado en ella. Las unidades individuales difieren en el tamaño de la memoria disponible, la velocidad del núcleo y los equipos con bloques funcionales, como interfaces, temporizadores, generadores PWM, etc. También vale la pena prestar atención a los pines de la placa, porque algunos de ellos no tienen conectores, pero están destinados a soldar.
Tabla 1: Lista de placas base Arduino que se ofrecen actualmente
| Tipo de placa Arduino | Tipo de procesador | Tensión IO / de alimentación [V] | Frecuencia de tiempos CPU [MHz] | Entradas / Salidas analógicas | Entrada-salidas digitales / Número de PWM | EEPROM [kB] | SRAM [kB] | Flash [kB] | USB | UART |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| LilyPad USB | ATmega32U4 | 3,3/3,8…5 | 8 | 4/0 | 9/4 | 1 | 2,5 | 32 | - | Micro |
| Mega 2560 | ATmega2560 | 5/7…12 | 16 | 16/0 | 54/15 | 4 | 8 | 256 | Tipo B | 4 |
| Micro | ATmega32U4 | 5/7…12 | 16 | 12/0 | 20/7 | 1 | 2,5 | 32 | Micro | 1 |
| MKR1000 | SAMD21 Cortex-M0+ | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8/4 | - | 32 | 256 | Micro | 1 |
| Uno | ATmega328P | 5/7…12 | 16 | 6/0 | 14/6 | 1 | 2 | 32 | Typ B | 1 |
| Zero | ATSAMD21G18 | 3,3/7…12 | 48 | 6/1 | 14/10 | - | 32 | 256 | 2×Micro | 2 |
| Due | ATSAM3X8E | 3,3/7…12 | 84 | 12/2 | 54/12 | - | 96 | 512 | 2×Micro | 4 |
| Leonardo | ATmega32U4 | 5/7…12 | 16 | 12/0 | 20/7 | 1 | 2,5 | 32 | Micro | 1 |
| Nano | ATmega168; ATmega328P | 5/7…9 | 16 | 8/0 | 14/6 | 0.512; 1 | 1; 2 | 16; 32 | Mini | 1 |
| MKRZero | SAMD21 (Cortex-M0+) | 3,3 | 48 | 7 (ADC 8/10/12 bits)/1 (DAC 10 bits) | 22/12 | - | 32 kB | 256 kB | Sí | 1 |
| Yun Rev 2 | ATmega32U4; Atheros AR9331 | 5; 3,3V | 16; 400 | 12/0 | 20 | 1 | 2,5; 64 MB DDR2 | 32; 16 MB | Sí | 1 |
| Uno WiFi Rev2 | ATmega4808; Módulo de radio u-blox NINA-W102 | 5/7…12 | 16 | 6/0 | 14 | 0,256 | 6 | 48 | Sí | 1 |
| Nano 33 IoT | SAMD21 (Cortex-M0+) | 3,3/3,6…21 | 48 | 8/1 | 14 | - | 32 | 256 | Sí | 1 |
| Nano 33 BLE | nRF52840 | 3,3/3,6…21 | 64 | 8/0 | 14 | - | 256 | 1MB | Sí | 1 |
| Nano 33 BLE Sense | nRF52840 | 3,3/3,6…21 | 64 | 8/0 | 14 | - | 256 | 1MB | Sí | 1 |
| MKR1000 WiFi | SAMD21 (Cortex-M0+) | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sí | 1 |
| MKR1010 WiFi | SAMD21 (Cortex-M0+) | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sí | 1 |
| MKR Vidor 4000 | SAMD21 (Cortex-M0+); FPGA Intel Cyclone 10CL016 | 3,3/5 | 48; 48…200 | 7/1; -/- | 8; 22 | - | 32; 8MB SDRAM | 256; 2MB | Sí | 1; 7 |
| MKR Fox 1200 | SAMD21 (Cortex-M0+); Módulo de radio Microchip Smart RF ATA8520 | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sí | 1 |
| MKR GSM 1400 | SAMD21 (Cortex-M0+); Módulo de radio u-blox SARA-U201 | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sí | 1 |
| MKR NB 1500 | SAMD21 (Cortex-M0+); Módulo de radio u-blox SARA-R410M-02B | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sí | 1 |
| MKR WAN 1310 | SAMD21 (Cortex-M0+); Módulo de radio CMWX1ZZABZ | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sí | 1 |
| MKR WAN 1300 (LoRA Connectivity) | SAMD21 (Cortex-M0+); Módulo de radio CMWX1ZZABZ | 3,3/5 | 48 | 7/1 | 8 | - | 32 | 256 | Sí | 1 |
| Portenta H7 | STM32H747XI (Cortex-M7+M4); Módulo de radio Murata 1DX WiFi y Bluetooth 5.1 | 3,3/5 | 480 | 7/2 | 15/8 | - | 1MB | 2MB | Sí | 4 |
[Lista de placas base Arduino que se ofrecen actualmente - PDF](https://static.cs.tme.eu/2020/11/5fbb9f5c8d07e/Arduino_boards_en.pdf}{.cs-btn-danger}
Arduino Nano, Arduino Uno i inne
Las placas económicas y un entorno de desarrollo Arduino gratuito son una muy buena alternativa a muchas plataformas de evaluación disponibles en el mercado, que ofrecen, por ejemplo, los fabricantes de microcontroladores. La disponibilidad de documentación y fuentes abiertas le permite modificar la plataforma por su cuenta y ajustarla a sus necesidades. Las placas Ready Arduino están disponibles a un precio asequible. Un buen punto de partida para principiantes es Arduino Uno. Ha sido equipado con un conector USB típico, con el que puede conectar la placa con un PC y transferir fácilmente el software con un solo clic. El microcontrolador ATmega328 montado en la placa tiene suficiente memoria y recursos de hardware para implementar muchas aplicaciones de control y control. La frecuencia de reloj del núcleo es de 16 MHz, lo que da una duración del ciclo de la máquina de 62,5 ns, y el núcleo AVR utilizado en el microcontrolador lleva a cabo la mayoría de las instrucciones en un solo ciclo de la máquina. A medida que gane habilidad y experiencia, puede elegir más variantes, como Arduino Due, Mega 2560 y otros. Antes que nada, vale la pena prestar atención al modelo aquí. Arduino Nano, que es una versión miniaturizada de sistemas más grandes, sin, por ejemplo, un estabilizador de voltaje y un puerto USB de tamaño completo. El Arduino Nano, sin embargo, está equipado con el mismo procesador de 8 bits que la placa Uno, con una impresionante reducción de tamaño. En el caso de la serie Nano, la dimensión de la PCB es de 18 mm por 45 mm. Es importante destacar que, a pesar del cambio de hardware, todavía se utiliza el mismo entorno de desarrollo.
Normalmente, la programación del microcontrolador se realiza a través de la interfaz USB. Para que la interfaz USB Arduino funcione correctamente con el sistema operativo que utilizamos, se requerirá un controlador apropiado, instalado por el sistema operativo después de conectar la placa y enviar el software de inicio del microcontrolador, el llamado gestor de arranque. Originalmente, el IDE de Arduino se escribió para Windows, por lo que la mayoría de los cargadores de arranque están disponibles para Windows y solo algunos de ellos están adaptados a otros sistemas operativos. A la hora de trabajar en un ordenador equipado con MacOS o Linux, antes de decidirse a comprar una placa base Arduino específica, conviene comprobar si es compatible con el sistema que utilizamos.
Figura 4. Arduino Uno R3 recomendado para principiantes.
Finalmente, cabe mencionar el sitio web de los usuarios de Arduino, disponible en https://www.arduino.cc/, donde se pueden encontrar versiones actuales de programas, numerosas aplicaciones, un foro de usuarios y una base de conocimientos. También hay diagramas y parámetros eléctricos de las placas Arduino, descripciones y especificaciones de parámetros, incluida la descripción del Arduino Uno R3 (foto 4) recomendada para principiantes. Ofrecemos muchos módulos de extensión y numerosos ejemplos de aplicaciones están disponibles en otros sitios web; puede encontrarlos a través de motores de búsqueda o grupos de discusión sobre programación y electrónica.
