Arduino. Edición 2018. Curso práctico

Por Alfredo Moreno y Sheila Cordobes

El gran secreto para aprender algo es practicar, una y otra vez, hasta que consigues el objetivo que te habías propuesto._x000D_
En este libro vas a encontrar todo el contenido necesario para que entiendas Arduino y para que_x000D_
practiques con todo lo que te ofrece Arduino. Vamos a explicarte todos los conocimientos que tienes que saber para poder empezar, divididos en cuatro grandes bloques:_x000D_
• Hardware de Arduino._x000D_
• Software de Arduino._x000D_
• Electrónica y electricidad._x000D_
• Programación._x000D_
Una vez aprendido y entendido cada uno de los bloques, te explicamos un total de 25 proyectos,_x000D_
para los que se incluye:_x000D_
• Descripción del proyecto y objetivo del mismo._x000D_
• Montaje paso a paso del circuito._x000D_
• Esquema eléctrico del circuito._x000D_
• Diagrama de flujo de código fuente del proyecto._x000D_
• Código fuente explicado en detalle._x000D_
Los proyectos están organizados en orden de aprendizaje progresivo, y ordenados de tal forma_x000D_
que facilitan el aprendizaje afianzando los conocimientos aprendidos en proyectos anteriores con_x000D_
los nuevos conocimientos que tienes que aprender en cada uno de los proyectos._x000D_
El libro está pensado para utilizarse como:_x000D_
• Apoyo para la docencia, ya que cuenta con toda la teoría necesaria para explicar Arduino_x000D_
y una serie de prácticas que permitirán que los alumnos adquieran los conocimientos teóricos aplicándolos a las prácticas._x000D_
• Material para aprender de forma autónoma, ya que guía paso a paso al lector para aprender todos lo que necesitar saber para dominar Arduino._x000D_
• Obra de consulta para profesionales ligados a la electrónica o electricidad, ya que contiene todos los fundamentos teóricos y prácticos, tanto generales como relacionados con Arduino. _x000D_
El libro contiene material adicional que podrá descargar accediendo a la ficha del libro en www.ra-ma.es

• Idioma: Español
• Editorial: RA-MA, S.A. Editorial y Publicaciones
• Fecha de lanzamiento: 24 jul 2018
• ISBN: 9788499647821

Vista previa del libro

Antes de empezar…

En este punto vas a poder aprender una serie de conceptos que son indispensables para cualquier persona que quiere aprender Arduino y que te permitirán conocer los dos grandes pilares sobre los que se basa el proyecto.

Los dos grandes pilares sobre los que se basa el proyecto Arduino son los siguientes:

Hardware libre.

Software libre.

El hardware libre y el software libre son términos con los que todos nos encontramos familiarizados en mayor o menor medida, y que solemos asociar erróneamente con la palabra gratis. Decimos erróneamente porque se suele asociar la palabra libre con precio en lugar de con el término al que hace referencia, que no es otro que libertad de uso.

El que un hardware o un software sea libre no implica que no sea comercial, hace referencia a otras cualidades en las que nos adentraremos con mayor profundidad en los siguientes puntos para que aprendas la filosofía en la que se basa el proyecto Arduino.

Software libre

Antes de explicar lo que es el software libre debemos de explicar qué es el software. A grandes rasgos, el software es el conjunto de programas, instrucciones y reglas informáticas que permiten ejecutar distintas tareas en una computadora.

Decimos que un software es libre cuando los usuarios tienen la libertad de ejecutarlo, copiarlo, distribuirlo, estudiarlo, modificarlo y mejorarlo con total libertad. Gracias a dicha libertad, el control del software recae en los propios usuarios.

En la otra cara de la moneda se encuentra el software privativo, es decir, aquel software sobre el que el usuario no tiene las libertades expuestas en el párrafo anterior. En este caso, el programa es quien controla a los usuarios, aunque si somos concretos, es la empresa o equipo de desarrollo que hay detrás del software el que controla a los usuarios.

Tal y como puedes observar, parece clara la diferenciación entre software libre y software privativo, pero, existen una serie de puntos que un software tiene que reunir para considerarse software libre, son las llamadas libertades esenciales, que son:

Libertad 0: Libertad de ejecución del programa como se desea y con cualquier propósito.

Libertad 1: Libertad de estudiar cómo funciona el programa y la posibilidad de cambiarlo para que haga lo que uno quiere. Es indispensable para cumplir esta libertad que el código fuente del programa sea accesible.

Libertad 2: Libertad de redistribuir copias para ayudar a su prójimo.

Libertad 3: Libertad de distribuir copias de las versiones modificada por el usuario para uso y disfrute de la comunidad. Al igual que en la libertad número 2, el acceso al código fuente es indispensable.

Un software se considerará libre si cumple todas las libertades de manera adecuada, en caso contrario, no se considerará software libre.

Existe un supuesto que tienes que tener en cuenta si estás pensando en distribuir software libre y es que todo software que quiera ser distribuido como software libre deberá ser libre en su conjunto, es decir, que además del propio software que queremos distribuir como libre deberán ser libres también aquellos programas que son necesarios para el correcto funcionamiento del mismo.

A continuación, te ofrecemos una serie de puntos que te ayudarán a aclarar las libertades que debe cumplir un software para ser considerado como software libre:

Cualquier persona u organización es libre de usar el software.

El uso del software no tiene que ser comunicado al desarrollador del mismo.

Si distribuyes software libre a terceros, ellos tendrán total libertad de uso y podrán ejecutarlo para lo que necesiten.

El acceso al código fuente es una condición necesaria para considerar el software como software libre.

Cualquier modificación que se haga del código fuente deberá incluir la posibilidad de acceso al código fuente para seguir considerando la versión nueva como software libre.

Cualquier modificación que se haga y en la que se incluya un copyright impedirá que la versión nueva sea considerada como software libre.

Los usuarios pueden hacer modificaciones del código fuente para su uso sin necesidad de publicarlo en ningún sitio.

Los usuarios tienen la libertad de distribuir copias originales o modificadas de forma gratuita o cobrando una tarifa por la distribución.

Las modificaciones que se hagan del software libre jamás podrán limitar las futuras modificaciones que se quieran realizar.

Los manuales del software deben ser libres ya que son considerados como parte del software.

A la hora de distribuir el software libre puedes aplicar reglas siempre y cuando no entren en conflicto con las libertades expuestas en este punto. Este es el caso del Copyleft, que implica que una distribución de software libre no puede incluir restricciones que impidan a los demás tener acceso a las libertades principales.

Existe una licencia, llamada GPL (General Public License), que garantiza a los usuarios finales la libertad de usar, estudiar, modificar y compartir el software. Su objetivo es el siguiente:

Declarar el software como Software Libre.

Protegerlo utilizando Copyleft.

Arduino es considerado como software libre ya que tanto su entorno de programación como el código fuente de gestión y control del microcontrolador se encuentran publicados bajo licencia GPL. Esto implica que cualquier persona que quiera y sepa, pueda formar parte del software de Arduino, modificándolo, añadiendo nuevas funcionalidades, corrigiendo errores, etc. Por lo tanto, las personas pasan a ser un sujeto activo y partícipe del proyecto, en lugar de ser simplemente usuarios del mismo.

Hardware libre

Antes de explicar lo que es el hardware libre debemos de explicar lo que es el hardware. A grandes rasgos, el hardware es el conjunto de elementos físicos que componen una computadora.

El hardware libre se basa en los mismos principios que el software libre pero aplicando sus conceptos y bases a su campo. Por lo tanto, para que un dispositivo hardware sea considerado como hardware libre será necesario que sus especificaciones y diagramas esquemáticos sean de acceso público, independientemente del coste de los mismos.

El objetivo principal del hardware libre no es otro que la creación de diseños de forma abierta gracias a la participación de cualquier persona que así lo desee.

Dada la naturaleza física del hardware, las consideraciones para que un hardware sea considerado como hardware libre están un poco limitadas, es por ello que para que sea considerado como libre se debe de conocer la siguiente información del mismo:

Diseño.

Forma de comunicación con el dispositivo.

Herramientas utilizadas para el diseño.

El concepto de hardware libre es relativamente nuevo y su objetivo es facilitar y acercar la electrónica y la robótica de forma activa a la gente, ya que nos permite poder mirar qué es lo que hay dentro de los dispositivos hardware, y que eso sea éticamente correcto.

La placa Arduino es hardware libre ya que sus ficheros esquemáticos se encuentran disponibles para descarga en la web de Arduino bajo la licencia Creative Commons Attribution Share-Alike, que permite realizar trabajos derivados de dichos diseños siempre y cuando sean publicados bajo la misma licencia.

¿Qué es Arduino?

Tal y como podrás comprobar en este apartado, es imposible entender qué es Arduino sin entender antes los conceptos de hardware y software libre, por lo que, llegados a este punto, ¡es el momento de introducirnos de lleno en Arduino!

Historia

Es necesario entender la historia de cómo surgió Arduino para entender el impacto a nivel mundial que ha tenido, tiene y tendrá.

Arduino nació en el año 2005 por la necesidad de utilizar un dispositivo de bajo coste en las aulas del Instituto de Diseño Interactivo de Ivrea, en Italia. El Instituto se dedicaba a la interacción entre personas y diferentes dispositivos, muchos de ellos basados en microcontroladores, con el objetivo de lograr espacios únicos normalmente relacionados con temas artísticos. El objetivo era sustituir las placas de microcontroladores que utilizaban por otras de menor coste, ya que, en ese momento, adquirir placas era bastante caro, y además, no cumplían con todos los requisitos que se tenían en el Instituto, como por ejemplo que funcionaran bajo cualquier sistema operativo y que contasen con la documentación necesaria para que personas sin conocimiento alguno en la materia pudieran empezar de cero.

El nombre de Arduino proviene del nombre de un bar en el que uno de sus fundadores solía pasar parte de su tiempo libre, el Bar di Re Arduino, cuyo nombre proviene además del nombre de un rey italiano llamado Arduino de Ivrea, que reinó en Italia desde 1002 al 1014.

En ese mismo año, 2005, el Instituto se vio obligado a cerrar sus puertas. Fue en ese momento en el que se tomó la decisión que ha llevado a Arduino a ser lo que es hoy en día, se decidió liberar el proyecto a la comunidad para que no se perdiera todo el trabajo que habían realizado hasta el momento. Gracias a esta decisión, se creó una comunidad alrededor de Arduino que ha permitido que personas de todo el mundo tengan la posibilidad de mejorar el proyecto, evolucionarlo y sobre todo, mantenerlo vivo. En otras palabras, Arduino es lo que es gracias a la comunidad que tiene detrás por todo el mundo, que poco a poco han ido mejorando el proyecto convirtiéndolo en un proyecto de hardware y software libre de ámbito mundial.

La historia de Arduino está marcada por la disputa del nombre de la marca a nivel internacional. Los fundadores de Arduino acordaron que transferirían la propiedad intelectual de Arduino a la nueva empresa que fundaron, Arduino LLC, que aglutinaría todas las marcas Arduino y que cobraría los royalties correspondientes a la venta y distribución de Arduino por empresas externas a la misma.

En 2008 uno de los fundadores de Arduino registró el nombre de Arduino en Italia y no dijo nada al resto de fundadores, pero, cuando llegó el momento de registrar el nombre en Italia, todo salió a la luz. Las negociaciones por llegar a un acuerdo por el nombre fracasaron, y se creó una nueva empresa llamada Arduino SRL y una nueva página web, que era una copia íntegra de la página web oficial de Arduino.

Estas disputas terminaron en demandas de Arduino LLC a Arduino SRL, además, Arduino LLC creó Genuino, nombre con el que comercializaría fuera de Estados Unidos la marca Arduino.

La disputa acabó en Octubre del 2016, durante la Maker Faire de Nueva York, los CEOs de Arduino SRL y Arduino LLC anunciaron la fusión de ambas compañías, terminando, de una vez por todas con las disputas que tenían.

¿Qué es Arduino?

Lo más importante a la hora de entender Arduino es que no es únicamente una placa con un microcontrolador, como se suele creer, Arduino es el resultado de la suma de los siguientes elementos:

Una placa de hardware libre.

Un software libre, gratis y multiplataforma.

Un lenguaje de programación libre.

Con estos tres elementos podemos construir la definición de Arduino. Básicamente sería la siguiente:

Arduino es un dispositivo de hardware libre que monta un microcontrolador en una placa de circuito impreso con los elementos necesarios para su funcionamiento y que dispone de un entorno de programación libre junto con un lenguaje de programación propio.

Aunque en los siguientes capítulos vamos a desarrollar en detalle toda la información relacionada con cada uno de los elementos que componen Arduino, en los siguientes puntos vamos a darte la introducción necesaria a cada uno de ellos.

Arduino es una placa de hardware libre

La placa de Arduino incorpora un microcontrolador reprogramable junto con una serie de pines-hembra que facilitan la conexión de sensores y actuadores.

Existen muchos modelos de placas Arduino, pero todas tienen en común la familia de microcontroladores que incorporan, arquitectura de tipo AVR, desarrollada y fabricada por Atmel. Al disponer todas de microcontroladores parecidos, su funcionamiento es bastante similar entre ellas.

Es muy importante conocer e identificar las necesidades de nuestros proyectos para elegir la placa Arduino que vamos a utilizar, ya que varían en tamaño, número de pines, modelo del microcontrolador…

Placa de circuito impreso

En la definición de Arduino que hemos hecho, hemos indicado que el microcontrolador está montado en una placa de circuito impreso, o PCB en inglés.

Una PCB no es otra cosa que una superficie de material no conductor sobre la que se laminan pistas de material conductor. La base (material no conductor) nos permitirá incluir componentes eléctricos al circuito y las pistas nos permitirán comunicar dichos elementos entre si.

Antes de continuar, te recomendamos que mires detenidamente la placa de Arduino, podrás comprobar las pistas de material conductor laminados en la base y que conectan entre si los diferentes componentes electrónicos.

Arduino es un software libre, gratis y multiplataforma

Arduino posee un entorno de desarrollo para trabajar con la placa que es totalmente gratuito, que es software libre y que puede ser instalado en casi todos los sistemas operativos existentes.

Gracias al entorno de desarrollo podrás programar la placa y realizar todos los proyectos que quieras, ya que permite escribir el código fuente, verificar que el código fuente es correcto y como último paso cargarlo en la memoria del microcontrolador de Arduino. Una vez que el programa es cargado en el microcontrolador, este ejecutará el conjunto de instrucciones que has programado.

Arduino es un lenguaje de programación libre

El lenguaje de programación Arduino está basado en el lenguaje de propósito general C/C++. A los elementos existentes en dicho lenguaje se les ha incorporado instrucciones y elementos suficientes que permiten especificar, de forma coherente y sin errores, las instrucciones exactas que se quieren programar en el microcontrolador de la placa.

¿Por qué elegir Arduino?

Arduino destaca en el conjunto de placas con microcontrolador programable por las siguientes características:

Coste: Al ser una placa pensada para el aprendizaje desde cero y para profesores y alumnos, su precio es bajo comparada con otras placas. La placa oficial más barata cuesta en torno a 30€ e incluye todo lo necesario para realizar cualquier tipo de proyecto. Hay que tener en cuenta que, al tratarse de un hardware libre, puedes encontrar placas Arduino a precio más económico y con las mismas funcionalidades/prestaciones, o también puedes comprar los componentes por separado y montarla por ti mismo.

Libre y extensible: Arduino es software libre y hardware libre, por lo tanto, cualquier persona que desee y quiera puede mejorar tanto la placa, el software o el lenguaje de programación. Tanto el código fuente del software y el lenguaje, como el diseño de la placa, se encuentran publicados.

Comunidad: El gran logro de Arduino y el gran impulsor de su éxito. Muchas personas utilizan, modifican y amplían Arduino constantemente, es decir, es un proyecto vivo y en constante actividad gracias a todas las personas pertenecientes a su comunidad.

Multiplataforma: El software de Arduino se ejecuta en sistemas operativos Windows, Macintosh OSX y GNU/Linux.

Facilidad de uso: El entorno de programación y la placa son lo suficientemente sencillos para que personas principiantes puedan usarlos sin problemas.

Placas versátiles: Las placas disponen de diferentes entradas y salidas de datos, permitiendo capturar la información de los diferentes sensores que se pueden conectar, procesar los datos internamente y enviar las señales a los actuadores de diferentes formas.

Placas reutilizables: Las placas pueden ser utilizadas en diferentes proyectos, ya que el microcontrolador que tienen es reprogramable. Además, es importante indicar la facilidad de reutilización, ya que es sumamente sencillo ejecutar las operaciones de desconexión, reconexión y reprogramación.

¿Qué puedo hacer con Arduino?

La respuesta a la pregunta es muy sencilla, y no es otra que todo lo que se te pueda pasar por la cabeza.

El contenido del libro va a enseñarte a manejar diferentes sensores y actuadores de forma completa, con el objetivo de prepararte para que, una vez terminado el contenido libro, puedas afrontar cualquier proyecto con conocimientos suficientes para realizarlo con éxito.

Al tratarse Arduino de software y hardware libre podrás encontrar, sin mucha dificultad, a personas en la comunidad que podrán guiarte en aquellos proyectos que quieras emprender una vez adquieras todos los conocimientos que te vamos a presentar en este libro.

A continuación, te exponemos una serie de proyectos para que te puedas hacer a la idea de hasta donde podrías llegar con Arduino:

Sistemas de alarmas.

Estación meteorológica.

Control domótico de la vivienda.

Reloj GPS.

Photocall.

Jardín automatizado.

Robots.

Reloj despertador.

Cámaras espía.

Sistemas de apertura de puertas con huella digital.

¡Estamos completamente seguros de que ahora estás pensando posibles proyectos que podrías hacer!

Es tú momento, ¡empecemos!

BLOQUE TEÓRICO

Fundamentos para comprender Arduino

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Hardware. La placa Arduino

Durante este primer bloque vamos a profundizar en el hardware de la placa Arduino.

Empezaremos con una serie de conceptos previos que necesitas saber para poder entender la placa, pero no sólo para poder entender las placas de Arduino, son conceptos generales de todas las placas existentes en el mercado.

Posteriormente nos adentraremos en detalle en la placa, explicando todos y cada uno de los componentes que tiene y con una amplia explicación del microcontrolador que tiene. La explicación estará centrada en la placa Arduino UNO R3, que es la placa más utilizada de Arduino.

Para acabar el bloque, explicaremos cada una de las placas oficiales de Arduino que existen en el mercado, junto con los shields oficiales.

¡Empecemos!

Conceptos previos

En este punto vamos a sentar las bases para el resto del bloque, vamos a explicarte los conceptos de sistema electrónico y de microcontrolador.

¿Qué es un sistema electrónico?

Un sistema es un conjunto de componentes relacionados entre sí de forma ordenada que contribuyen a formar un determinado objeto.

Desde el punto de vista de la electrónica, un sistema es un conjunto de sensores, actuadores, circuitería de procesamiento y control y fuente de alimentación. Entremos en detalle en cada uno de los componentes de un sistema electrónico:

Sensores: Son los componentes que transforman lo que ven y lo que ocurre en el mundo físico en señales eléctricas que pueden ser utilizadas por la circuitería interna de control. Algunos ejemplos de sensores:

Sensor de temperatura.

Sensor de proximidad.

Sensor de humedad.

Sensor de agua.

Etc.

Actuadores: Son los componentes que interactúan con el mundo físico externo a la placa. Los actuadores transforman la señal eléctrica en energía que actúa directamente con el mundo. Algunos ejemplos de actuadores:

LED: Transforman la señal que reciben en energía lumínica.

Motores: Transforman la señal que reciben en energía mecánica.

Zumbadores: Transforman la señal que reciben en energía