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· Disponible en www.marcombo.com (se recomienda realizar la búsqueda con el código ISBN)

· Código ISBN de referencia: 9788426727176

· Componentes del KIT Aprender Arduino, prototipado y programación avanzada con 100 ejercicios prácticos:

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MultímetroMultiplexor CD74HC4067Oscilador 16 MhzPila 9 VPotenciómetroPower supply breadboard Programador ftdiProtoboard PulsadoresRegistro de desplazamiento 74HC164 Regulador lm7805Resistencia 1000Resistencia 10000Resistencia 1 MΩResistencia 330Resistencia 470Resistencia 4700 ΩSalida analógica MCP4725

KITAprender Arduino,

prototipado y programación

avanzada con 100 ejercicios prácticos

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Aprender Arduino, electrónica y programación con 100 ejercicios prácticos

ISBN: 9788426726483

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con 100 ejercicios prácticos

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Aprender Arduino, prototipado y programación avanzada con 100 ejercicios prácticos

© 2019 Rubén Beiroa Mosquera

Primera edición, 2019

© 2019 MARCOMBO, S.A.

www.marcombo.com

Diseño de la cubierta: ArteMio

Maquetación: ArteMio

Correctoras: Mónica Muñoz Marinero y Laura Seoane Sánchez Majano

Directora de producción: Mª Rosa Castillo Hidalgo

Director de colección: Pablo Martínez Izurzu

«Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra sólo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra».

ISBN: 978-84-267-2680-3

D.L.: B-25495-2018

Impreso en Ulzama Digital

Printed in Spain

APRENDER ARDUINO, PROTOTIPADO Y PROGRAMACIÓN AVANZADA CON 100 EJERCICIOS PRÁCTICOS

Los 100 capítulos que contiene este libro tratan las problemáticas que cualquier desarrollador o maker se encuentra al realizar sus proyectos más complejos.

A partir de casos prácticos, se abordan temas como el filtrado de señales, la comuni-cación I2C y SPI (presentes en muchos de los módulos o sensores compatibles con Arduino), la creación de una librería, el diseño del hardware de un Arduino para poder adaptarlo y la programación de interfaz de control, entre otros.

A QUIÉN VA DIRIGIDO

A todo desarrollador o maker que tenga unos conocimientos mínimos sobre Arduino, electrónica y programación, y quiera entender la arquitectura y programación de las comunicaciones presentes en cualquier Arduino.

También está dirigido a todo profesional que requiera integrar Arduino en pro-yectos complejos y necesite comunicarse con sensores o módulos de los que carezca de ejemplos.

LA FORMA DE APRENDER

Nuestra experiencia en el ámbito de la enseñanza nos ha llevado a diseñar este tipo de manual, en el que cada una de las funciones se ejercita mediante la realización de un ejercicio práctico. Dicho ejercicio se halla explicado paso a paso y pulsación a pulsación, a fin de no dejar ninguna duda en su proceso de ejecución. Además, lo hemos ilustrado con imágenes descriptivas de los pasos más importantes o de los resultados que deberían obtenerse y con recuadros IMPORTANTE que ofrecen información complementaria sobre los temas tratados en los ejercicios.

LOS ARCHIVOS NECESARIOS

En la parte inferior de la primera página del libro encontrará el código de acceso que le permitirá acceder de forma gratuita a los contenidos adicionales del libro en www.marcombo.info.

Presentación

En la parte inferior de todas las páginas puede seguir el ejercicio de forma gráfica, paso a paso. Los números de los pies de foto le remiten a entradas en el cuerpo de texto.

El título de cada ejercicio expresa sin

lugar a dudas en qué consiste este. De esta forma, si

le interesa, puede acceder directamente a la acción que desea aprender o refrescar.

El número a la derecha de la página le indica claramente en qué ejercicio se encuentra en todo momento.

Los ejercicios se han escrito

sistemáticamente, paso a paso, para

que nunca se pierda durante su

realización.

Cómo leer los libros “Aprender...”

A mis padres, por su apoyo, y a la editorial Marcombo, por su confianza.

Índice

001002003004005006007008009010011012013014015016017018019020021022023024025

La electrónica no es ideal .......................................................14

Introducción a los condensadores .........................................16

Propiedades de un condensador ............................................18

Gestión de tiempo: millis() y micros() ...................................20

Descarga de un condensador .................................................22

Debounce (I) ..........................................................................24

Debounce (II) .........................................................................26

De PWM a señal analógica con filtro paso bajo ....................28

Interrupciones ........................................................................30

Interrupciones por evento .....................................................32

Interrupciones por tiempo. Parpadeo de un led ....................34

Interrupciones por tiempo. Timer2 y 3 .................................36

Interrupción del puerto serie .................................................38

Comunicación serie Serial.flush, Serial.availableForWrite ....40

Comunicación serie Serial.end, Serial.setTimeout.................42

Comunicación serie Serial.parseInt .......................................44

Comunicación serie Serial.parseFloat, Serial.readBytes .........46

Comunicación serie(V) Serial.readBytesUntil, Serial.readString .....48

Comunicación serie (VI) Serial.readStringUntil, Serial.find .... 50

Comunicación I2C. Introducción .........................................52

Comunicación I2C. Wire.begin .............................................54

Comunicación I2C. Comunicación del maestro al esclavo ..56

Comunicación I2C. Controlar al esclavo con un maestro ....58

Comunicación I2C. Comunicación esclavo maestro ............60

SPI Introducción ....................................................................62

Índice

026027028029030031032033034035036037038039040041042043044045046047048049050

SPI en Arduino .......................................................................64

Comunicación SPI. Comunicación maestro esclavo .............66

Comunicación SPI. Comunicación esclavo maestro .............68

Memoria EEPROM. EEPROM.read .........................................70

Memoria EEPROM (I). EEPROM.write ...................................72

Memoria EEPROM (II). EEPROM.put, EEPROM.get ..............74

Memoria EEPROM. Almacenar datos correctamente ............76

Memoria EEPROM. Alargar la vida útil ..................................78

Sensor de temperatura interno ..............................................80

Arduino modo Sleep. Librería LowPower ..............................82

Arduino modo Sleep. IdleWakePeriodic ................................84

Arduino modo Sleep. PowerDownExternalInterrupt ............86

Watchdog ...............................................................................88

Simulador Tinkercad. Crear cuenta, interfaz .........................90

Simulador Tinkercad. Montar el primer circuito ...................92

Simulador Tinkercad. Programación .....................................94

Simulador Tinkercad. Opciones avanzadas ...........................96

Debugger. FiILE, LINE, FUNTION, DATE, TIME ....................98

Debugger. Funciones de depuración ....................................100

Crear librerías. Archivo .h ....................................................102

Crear librerías. Archivo .cpp ................................................104

Arduino Web Editor .............................................................106

Diseño y fabricación de un Arduino ....................................108

Hardware Arduino................................................................110

Hardware de alimentación. Análisis ....................................112

Índice

051052053054055056057058059060061062063064065066067068069070071072073074075

Hardware de alimentación. Diodo y regulador de tensión ..... 114

Hardware de alimentación. Montaje en protoboard ...........116

Hardware de alimentación. USB y alimentación externa ....118

ATmega328. Señal de reloj ...................................................120

ATmega328. Reset ................................................................122

ATmega16U2 ........................................................................124

Grabar gestor de arranque ...................................................126

Arduino protoboard. Programador ......................................128

De la protoboard al PCB. Un poco de teoría .......................130

De la protoboard al PCB. Herramientas ...............................132

Conceptos generales de una PCB .........................................134

Encapsulados ........................................................................136

PCB. Huella, pads, pistas ......................................................138

Consideraciones de diseño Fritzing, barra de menú ...........140

Diseño PCB. Fritzing, primeros pasos ..................................142

Diseño PCB. Montar los primeros componentes ................144

Diseño PCB. Hardware de alimentación ..............................146

Diseño PCB. Alimentación, reset, reloj .......... 148

Diseño final PCB .................................................................. 150

Fabricación PCB Opciones ................................................... 152

Fabricación PCB y ensamblado ............................................ 154

Fabricar mi propia shield para Arduino ...............................156

Diseñar y fabricar un dispositivo basado en Arduino .........158

Multiplexores, Demultiplexores ..........................................160

CD74HC4067 como multiplexor .........................................162

PATmega328

Índice

076077078079080081082083084085086087088089090091092093094095096097098099100

CD74HC4067 como demultiplexor .....................................164

Registro de desplazamiento. Teoría .....................................166

Registro de desplazamiento. 74HC164 ................................168

PCF8574. Teoría ...................................................................170

PCF8574. Ampliar salidas digitales ......................................172

PCF8574. Ampliar entradas digitales ...................................174

Ampliar entradas analógicas con ADS1115 .........................176

Salida analógica con MCP4725 ............................................ 178

Amplia la memoria EEPROM con AT24C256................ 180

Processing ............................................................................. 182

Conectar Processing con Arduino .......................................184

Parpadeo de led con Processing ...........................................186

Ratón Processing ..................................................................188

Teclado Processing ...............................................................190

Monitorización de datos por consola ..................................192

Interfaz gráfica de usuario(GUI) con Processing ..................194

Processing Text Field ............................................................196

Processing button.................................................................198

Processing checkbox ............................................................200

Processing slider ...................................................................202

Processing knob ...................................................................204

Processing toggle ..................................................................206

Processing GUI(I) .................................................................208

Processing GUI(II) ................................................................210

Processing GUI(III) ...............................................................212

r

14

La electrónica no es ideal• Cuando trabajamos con un componente electrónico, ya sea una resistencia, un led o los pro-

pios cables, tenemos que partir de la premisa de que no son ideales.• Esto significa que, cuando utilizamos una resistencia de 1 kΩ, su valor real no es ese. Y ¿cuál es?

Cada fabricante vende resistencias con una tolerancia.• La tolerancia es el valor que nos dice cuánto puede variar el valor de una resistencia de lo espe-

rado; es decir, cuál puede ser su valor máximo y mínimo, que suele expresarse en porcentaje.• De tal modo que, si comparamos una resistencia de 1 kΩ con una tolerancia del 2 %, su valor

real oscila entre 1020 y 980 Ω; por lo tanto, siempre será importante medir el valor de la resis-tencia con un multímetro.

• Este hecho que ocurre con las resistencias se puede extender al resto de la electrónica y, como la base de la electrónica son las señales eléctricas, estas también tendrán sus «tolerancias».

• Esto nos lleva a realizar un pequeño caso de demostración: montamos un simple circuito en donde conectaremos un pulsador y un Arduino 1.

• Con el siguiente programa 2, contabilizaremos el número de pulsaciones.• Si pulsamos muy rápido, veremos cómo el contador alcanza un valor superior al número de

pulsaciones reales; este fenómeno se conoce como «efecto rebote».• Esto se produce por el mecanismo del pulsador 3; es un elemento mecánico que consta de una

lámina de metal que hace contacto con sus patillas. Al pulsar la unión entre la lámina de metal y las patillas, sufre una serie de vibraciones o rebotes.

• Estos rebotes repercuten en la señal 4.• El Arduino considerará estos rebotes como pulsaciones y es por eso que el contador no refleja

el número real de pulsaciones que hemos efectuado.• Pero este fenómeno tiene una solución tanto por software como por hardware lo que nos lle-

vará en los próximos capítulos a estudiar los condensadores.• La solución a este fenómeno se conoce como pulsador antirebore (Debounce):

• Debounce por hardware• Debounce por software

3

15

001Aprender Arduino, prototipado y programación avanzada con 100 ejercicios prácticos

1 2

4

16

1

Introducción a los condensadoresUn condensador es un componente electrónico ampliamente usado; para empezar a entender lo que es un condensador, podemos compararlo con una pila o batería ya que, como veremos, es capaz de almacenar carga eléctrica. Se fabrican diferentes tecnologías de condensadores que se diferencian, básicamente, por el tipo de material:

• A lo largo de este capítulo y de los siguientes nos centraremos en el estudio de los condensa-dores electrolíticos.

• Estos condensadores tienen polaridad, por lo que hay que tener especial cuidado a la hora de realizar las conexiones.

• Los condensadores electrolíticos 1 disponen de dos patillas, una más larga que la otra y que, si revisamos el encapsulado, veremos una franja, por lo general, de un color gris en el lado de la patilla corta.

• En el caso de los condensadores electrolíticos, el símil con una pila es muy aproximado ya que, al igual que esta, dispone de dos polos (patillas).

• La patilla larga representa el polo positivo y la corta, el negativo; por lo tanto, debemos respetar su polaridad.

• Si un condensador se encuentra sometido a una diferencia de tensión, iniciará un proceso de carga hasta que iguale el valor de la tensión a la que se encuentre sometido.

Con el siguiente caso práctico, comprobaremos el funcionamiento de un condensador:

1. Conectamos el condensador de 1000 μF y 25 V y una resistencia de 330 Ω en serie y a 5 V 2.

2. Al cabo de un instante el condensador se habrá cargado hasta alcanzar los 5 V, podemos hacer una comprobación con un multímetro.

3. Ahora conectamos el condensador y la resistencia a un diodo led 3.

4. Veremos cómo rápidamente el led empezará encendido y, según se vaya descargando el condensador, el led se irá apagando.

5. Si esto se produce muy rápido, podemos cargar el condensador con una pila de 9 V, para que el led no se apague tan rápido.

Con este simple caso, hemos comprobado el funcionamiento de un condensador, es un compo-nente simple pero con el que conseguiremos realizar circuitos complejos.

17

002Aprender Arduino, prototipado y programación avanzada con 100 ejercicios prácticos

La importancia de un condensador viene en sus características de carga y descarga. Con los con-densadores, podemos realizar filtros para, por ejemplo, eliminar los rebotes de una señal, pero, para eso, debemos profundizar más en su estudio y lo haremos a lo largo de los siguientes capítu-los. Aun así, ya tenemos conceptos que podemos analizar:

• La unidad de los condensadores son los faradios (F); en el caso anterior, 0,001 F.• Todos los condensadores soportan una tensión máxima; en el caso anterior era de 25 V.• Como existen diferentes condensadores, cada uno de ellos tiene su propia representación

(en el caso del electrolítico, es la siguiente 4).

2 3 4

18

Propiedades de un condensador

La capacidad es una propiedad de los condensadores, que nos indica la cantidad de carga eléctrica que pueden almacenar, que dependerá de la tensión de carga.

La fórmula que define un condensador es la siguiente:

• Q = C * V

• Q -> carga (culombios)• C -> capacidad (faradios)• V -> voltios

De la expresión anterior deducimos que la carga que almacena un condensador dependerá de la ca-pacidad de este por la tensión de carga; por lo tanto, en el capítulo anterior que teníamos un con-densador de 1000 μF a una tensión de carga de 5 V, la carga que almacena es de 0,005 culombios.

• Un culombio es la cantidad de carga transportada por segundo (1 C = 1 A * s), y a su vez 1 C = 6,24 * 10 ^ 18 electrones.

Hasta aquí hemos estudiado el comportamiento básico del condensador, así que pasemos a anali-zar sus características de carga y descarga.

Cuando un condensador se carga o descarga, no lo hace de forma lineal. Si tuviéramos que hacer una gráfica que represente este proceso, se mostraría una gráfica en forma de curva; para entender este fenómeno, será necesario un ejemplo de la carga de un condensador:

1. Conectamos una resistencia de 1 kΩ en serie con un condensador de 1000 μF al pin A0 1 (val-dría cualquier otro pin).

2. Una vez activemos la salida, el condensador se empezará a cargar: la intensidad inicial a la que lo haga será la intensidad máxima. A medida que se vaya cargando, irá disminuyendo 2.

3. Esta intensidad se puede calcular por la ley de Ohm, V = R * I -> I = V / R -> I = 5 / 1000 = 5 mA.

4. Este efecto es debido a la conexión en serie entre la resistencia y el condensador. Inicialmente, la tensión del condensador será 0 V, por lo tanto, la diferencia de tensión en la resistencia es de 5 V, lo que haría que la intensidad fuese de 5 mA 3.

5. El condensador se irá cargando por el flujo de intensidad, al igual que un vaso cuando abrimos un grifo y se va llenando de agua.

6. Supongamos que el condensador acaba de llegar a los 2,5 V, pues resulta que, si analizamos el circuito 4, la resistencia ya no tiene una caída de tensión de 5 V sino de 2,5 V, por lo tanto, la intensidad será de I = 2,5 / 1000 = 2,5 mA.

7. Esto se producirá a lo largo de la carga del condensador. Entonces, ¿cómo podemos saber en qué momento se cargará el condensador? Existe una fórmula matemática que nos dice que el condensador llegará al 63,2 % de la carga en un tiempo tau (t).

t = R * C

19

003

1

Aprender Arduino, prototipado y programación avanzada con 100 ejercicios prácticos

8. La unidades con las que debemos trabajar en la ecuación anterior son Ω y F, para que el resul-tado sea en segundos.

9. El tiempo final para el cual el condensador estará cargado totalmente será 5 * t.

Vamos a realizar un caso práctico para comprobar estas leyes, pero, para ello, tenemos que ampliar nuestro lenguaje de programación.

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