Únase al mundo del fabricante con un kit básico fácil de usar de Arduino

Hay cientos de recursos dedicados a los “fabricantes”: aquellas personas que desean aprender a construir dispositivos para detectar y reaccionar ante el entorno que los rodea. Tanto para los que son ingenieros como para los que no, esta es una subcultura creativa en la que todos pueden participar para aprender y enseñar sobre el mundo de la electrónica, los sistemas de control, las microcomputadoras, los sensores y los actuadores. Una de las maneras más fáciles de adentrarse en este mundo es con un kit básico del ícono de los fabricantes, Arduino.

Arduino comercializa placas de microcontroladores y softwares relacionados con la comunidad del hardware y el software de código abierto. Estas placas de circuitos electrónicos combinan microcontroladores y una memoria de acceso aleatorio (RAM), una memoria de solo lectura (ROM) y circuitos integrados (CI) auxiliares para formar plataformas de prototipado de electrónica de código abierto con todos los componentes necesarios para completar una serie de proyectos de fabricantes bien documentados.

Este artículo proporciona una introducción al kit básico de Arduino basado en la experiencia personal del autor (un ingeniero).

El kit básico de Arduino

El kit básico de Arduino viene con todo lo necesario para poner en marcha 15 proyectos (Figura 1).

Figura 1: El kit básico de Arduino combina una placa de microcontroladores Arduino UNO con una selección de componentes electrónicos y un “Libro de proyectos de Arduino” de 171 páginas para dar a conocer el mundo de la electrónica interactiva. (Fuente de la imagen: Arduino)

El kit básico utiliza la placa de microcontroladores popular Arduino UNO que se basa en el CI del microcontrolador ATmega328P de Microchip Technology (Figura 2).

Figura 2: La placa Arduino UNO contiene todos los elementos necesarios para admitir el microcontrolador ATmega328P. (Fuente de la imagen: Arduino, anotación de DigiKey)

La placa UNO tiene catorce clavijas de entrada/salida digital, seis de las cuales admiten la modulación por ancho de pulsos (PWM) para controlar el brillo del led y el volumen del sonido. Hay seis entradas analógicas respaldadas por un convertidor analógico a digital (ADC) de aproximación sucesiva con resolución de 10 bits a una tasa de conversión de 15 kilomuestras por segundo (kS/s) a resolución completa. Tiene un reloj integrado con su propio cristal de cuarzo de 16 megahercios (MHz). Se proporciona un puerto USB para una fácil conexión a la computadora. La alimentación se puede aplicar desde el puerto USB o, si no, a través de un jack de alimentación incorporado. La fuente de alimentación se selecciona automáticamente.

Si bien la UNO tiene un gestor de arranque incorporado para la programación normal, se puede omitir, lo que permite que el microcontrolador se programe a través de una cabecera de programación serial en circuito (ICSP). Por último, la placa UNO tiene un botón de restablecimiento para volver fácilmente a una condición predeterminada si es necesario.

El procesador ATmega328P es un microcontrolador de 8 bits de baja potencia que utiliza una arquitectura de computadora por conjunto de instrucciones reducidas (RISC) mejorada (Figura 3). La arquitectura de RISC utiliza instrucciones que se ejecutan en un solo ciclo de reloj, lo que provoca una tasa de producción de ejecución muy alta.

Figura 3: Diagrama funcional de bloques del microcontrolador ATmega328P de 8 bits utilizado en la Arduino UNO. Tiene una arquitectura de RISC con ejecución rápida de instrucciones de un solo ciclo. (Fuente de la imagen: Microchip Technology)

El ATmega328P cuenta con memoria integrada en forma de segmentos de memoria no volátiles que incluyen 32 Kbytes de memoria flash del programa, 1 Kbyte de memoria programable y borrable de solo lectura (EEPROM) y 2 Kbytes de memoria de acceso aleatorio estática (SRAM). El ATmega328 de la Arduino UNO viene preprogramado con un gestor de arranque que le permite al usuario cargarle un nuevo código sin un programador de hardware externo. El gestor de arranque ocupa 500 bytes dentro de la memoria flash del programa. El chip contiene múltiples interfaces de datos en serie, incluido un transmisor receptor asíncrono universal (UART), una interfaz periférica serial (SPI) y una interfaz de dos hilos, también conocida como bus de circuito interintegrado (I²C).

El kit básico de Arduino está disponible en cinco idiomas diferentes. Contiene la placa del microcontrolador Arduino UNO y todos los componentes necesarios para realizar 15 proyectos diferentes. El Libro de proyectos de Arduino de 171 páginas sirve para guiar al usuario con estos proyectos. El libro cubre los elementos de hardware y software del uso de la Arduino UNO como cerebro de todos los proyectos.

Explicación clara de los dispositivos y la terminología

Uno de los problemas que los principiantes suelen encontrar cuando comienzan a explorar el mundo de la electrónica y la programación es el desconocimiento de la terminología y los dispositivos asociados. El Libro de proyectos de Arduino elimina este problema, ya que comienza con una guía de las distintas partes del kit, que incluye 134 componentes electrónicos y la placa Arduino UNO. En esta sección, cada tipo de componente se muestra por medio de imágenes y se describe su función. La sección concluye con el símbolo esquemático de cada parte.

Dado que los principiantes pueden no estar familiarizados con las placas de prototipado electrónico o los tableros de prueba, una sección del manual muestra cómo el tablero de prueba suministrado proporciona un método para conectar los componentes sin soldadura. Diagrama los patrones de barra de conducción del tablero de prueba y explica cómo funcionan los buses de alimentación. Esto elimina gran parte de la confusión cuando se utiliza por primera vez la placa de prototipado del kit.

Después de la descripción general de las piezas en el Libro de proyectos, sigue una breve reseña del diseño de la placa UNO, que se centra en las conexiones, los indicadores y los interruptores interactivos de la placa. Esta sección establece un vocabulario de hardware, que se utiliza en las secciones subsiguientes.

La siguiente sección proporciona instrucciones básicas sobre la configuración del software de Arduino en un sistema operativo Windows, Mac o Linux. El principal software utilizado es el entorno completo de desarrollo integrado (IDE) de Arduino, que se puede descargar desde el sitio web de Arduino. El IDE es el entorno de software utilizado para crear un código ejecutable que se puede cargar en la placa Arduino UNO.

Inicio de los proyectos

Una vez que se carga el software de IDE, la guía sigue los pasos para establecer comunicaciones entre la computadora host y la placa UNO con una conexión USB. Se proporcionan enlaces de referencia a la sección de solución de problemas de Arduino y a la sección de referencia del IDE, en caso de encontrar alguna dificultad. A partir de este punto, el usuario puede comenzar proyectos.

Cada proyecto tiene instrucciones detalladas sobre cómo seleccionar los componentes requeridos (enumerados con ilustraciones específicas para cada proyecto como los "ingredientes") y cómo interconectarlos en la placa de prototipado. Por ejemplo, el Proyecto 2, llamado “Interfaz de la nave espacial”, conecta un interruptor y tres ledes para crear un "panel de control”, de modo que, al presionar el interruptor, se determina qué acción siguen los ledes. Cada introducción del proyecto en el manual proporciona el tiempo estimado para completar el proyecto: en este caso, 45 minutos. La “lista de ingredientes” para el Proyecto 2 incluye un interruptor pulsador, tres ledes, tres resistencias de 220 ohmios (Ω) y una resistencia de 10 kΩ. El circuito está cableado en el tablero de prueba de prototipado por medio de cables puente cortados y pelados. Se dedica una página de esta sección a enseñarle al nuevo usuario cómo leer los códigos de colores de resistencias para futuros proyectos independientes.

El circuito cableado se muestra junto con las ilustraciones del Libro de proyectos en la Figura 4. El Libro de proyectos muestra el cableado con imágenes y esquemas. La comparación de las dos imágenes ayuda al usuario a aprender rápidamente cómo interpretar los símbolos esquemáticos y las interconexiones de los componentes.

Figura 4: Instrucciones de cableado en el Libro de proyectos y cableado real de las placas UNO y de prototipo. Las instrucciones aparecen en forma de imágenes y de esquemas. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Lo que se relaciona con el software de este proyecto forma parte de la etapa final del proceso. Los microcontroladores como el ATmega328P en la Arduino UNO tienen instrucciones de programación de muy bajo nivel conocidas como código de máquina. Básicamente, este código es una serie de números binarios que controlan el hardware interno. No se necesita codificar manualmente en lenguaje de máquina. La programación se realiza en un lenguaje de nivel superior que se traduce en varios pasos como comandos binarios que el microcontrolador comprende, lo que simplifica enormemente el proceso de programación. La herramienta necesaria para esto es el IDE integrado de Arduino, mencionado anteriormente.

El Proyecto 2 continúa con instrucciones sobre el código del software, que Arduino denomina “bocetos”. Se explica cada paso requerido en el boceto y qué harán los enunciados que tienen códigos (Figura 5).

Figura 5: Programa o “boceto” para el Proyecto 2 que se muestra en el editor de programas de IDE de Arduino. (Fuente de la imagen: DigiKey)

El usuario puede ingresar el código manualmente o descargarlo desde el menú desplegable en File (Archivo) (Figura 6).

Figura 6: Los bocetos para todos los proyectos están disponibles dentro del IDE de Arduino. El usuario puede seleccionarlos o ingresar el código manualmente. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Cuando se completa el ingreso del código, se puede compilar utilizando la entrada Verify/Compile (Verificar/Compilar) en el menú desplegable en Sketch (Boceto) en la interfaz del IDE. El compilador verificará el código para buscar errores de sintaxis o de otro tipo. La interfaz del IDE indicará cuando la compilación se complete y el código esté listo para cargarse en la memoria flash del programa en la placa UNO. La función de carga también se inicia desde el menú desplegable en Sketch. Una vez que se haya programado la placa UNO, se encenderá el led verde. Al presionar el interruptor pulsador, el led verde se apaga y los ledes rojos parpadean de forma alternada.

Estos pasos sencillos ocultan una gran parte de la “magia” de la programación, como el ensamblaje, el enlace y la carga, al traducir los comandos de alto nivel al código binario para ejecutar el microcontrolador. El novato adquirirá este conocimiento con tiempo y experiencia, pero a esta altura no es necesario para comenzar a divertirse.

A esta altura, el Libro de proyectos le plantea un par de preguntas al usuario sobre cómo se puede cambiar el programa, y así lo invita a experimentar con el boceto. Al avanzar en los proyectos, la complejidad de los circuitos y los programas aumenta, lo que amplía la experiencia y el conocimiento del usuario.

Conclusión

Con su plataforma de prototipado de código abierto, la variedad de componentes electrónicos y un software fácil de usar, el kit básico de Arduino tiene todo lo que los ingenieros y no ingenieros necesitan para adentrarse en el mundo de los fabricantes de electrónica. Para obtener más ideas y consejos de prototipo, visite Maker.io y busque proyectos de interés.