Arduino al Descubierto: Domina Proyectos DIY con Microcontroladores

Hoy puedes convertir casi cualquier cosa en un ordenador. Si ves un LED o una LCD con teclado, probablemente haya un pequeño ordenador dentro. Algunos de estos dispositivos contienen incluso seis, siete o más pequeños ordenadores, llamados microcontroladores.

Entre ellos, Arduino es el más popular. Si imaginas crear tu propio dispositivo electrónico con un ordenador integrado, primero debes entender qué son y cómo funcionan. Solo entonces podrás comprar unos kits en una tienda de PCB y empezar tus proyectos.

¿Qué es Arduino?

Estos pequeños ordenadores microcontroladores suelen denominarse controladores embebidos o unidades de microcontrolador (MCU). Son sistemas informáticos completos con todo lo que imaginarías en un ordenador: unidad central de procesamiento para ejecutar programas, almacenamiento RAM temporal, sistemas de almacenamiento permanente y puertos para periféricos y accesorios.

Los microcontroladores son ordenadores de propósito único, diseñados para realizar solo unas pocas tareas específicas. La mayoría de las veces ejecutan un único programa almacenado en ROM, aunque también puedes conectarles almacenamiento externo. En cualquier caso, se consideran dispositivos de bajo consumo, y ese es su encanto: puedes hacerlos funcionar completamente con pilas.

Arduino es simplemente una versión de código abierto de un microcontrolador. Viene como una placa de desarrollo de hardware que puedes usar para diseñar y construir tus propios dispositivos. Perfecto para trasteadores, aficionados y makers, Arduino se refiere tanto a un tipo específico de diseño de placa como a la empresa que las fabrica y a la comunidad de desarrolladores que las usan. Por eso los encuentras en casi cualquier tienda o catálogo de electrónica o componentes PCB.

La plataforma incluye una placa de circuito programable física, el propio microcontrolador y el software o IDE (entorno de desarrollo integrado) que usas para crear el programa que ejecuta el dispositivo. Popular entre desarrolladores noveles, Arduino no requiere un programador aparte, lo que lo hace mucho más amigable que otros kits de microcontroladores. Incluso usa una versión simplificada de C++, facilitando la programación.

1.1 ¿Qué compone un Arduino?

Las placas Arduino vienen con unos componentes e interfaces preinstalados en un único circuito impreso (PCB) como kit de microcontrolador. Estos componentes establecen un factor de forma estándar que hace al microcontrolador más accesible.

Componentes Básicos

Aunque el diseño ha evolucionado, un kit Arduino básico incluye:

Conectores de pines

Hay dos tipos de pines, dispuestos en un patrón específico, que permiten conectar el MCU a otras placas y partes de tu dispositivo personalizado. También permiten acoplar una placa hija complementaria, llamada "shield" (escudo), a tu dispositivo.

• Digitales – Conectores de entrada/salida (I/O) de un solo estado que puedes poner en ON u OFF. La mayoría de Arduino tienen 14 pines digitales.
• Analógicos – Conectores multiestado que leen un rango de valores. Sirven para control más preciso. Suelen ser seis.
• Tierra (GND) – Tres pines etiquetados GND para conectar a tierra tu dispositivo.
• Alimentación – Cuatro pines de 5 voltios y cinco de 3 voltios que proveen señales de alimentación a complementos y accesorios.
• Modulación por Ancho de Pulso (PWM) – Ocho de los pines digitales funcionan también como conectores PWM. Pueden simular señales de salida analógica para aplicaciones como atenuar LEDs.
• Referencia Analógica (AREF) – A veces usados para regular voltajes externos, pero estos nueve pines rara vez se usan.

Conector de alimentación

Alimenta el dispositivo y genera baja tensión para LEDs, sensores y otros. Puedes usarlo con un adaptador AC o una pila pequeña.

Procesador Principal

El CPU del microcontrolador es el corazón de la plataforma. Permite al Arduino ejecutar comandos y tomar decisiones basadas en diversas entradas y programas en ejecución. El chip varía según el tipo de Arduino, pero la mayoría incluyen chipsets Atmel con diferente memoria integrada. Modelos de procesador estándar:

• ATmega8
• ATmega168
• ATmega328
• ATmega1280
• ATmega2560

Conector serie

La mayoría de placas Arduino traen un puerto USB estándar para conectar el MCU al ordenador y cargar nuevos programas. En algunas placas, el USB también sirve como conector de alimentación.

Botón de Reset

Las placas Arduino incluyen un botón de reset. Al pulsarlo se activa el pin de reinicio, reiniciando cualquier código en ejecución. Ideal para probar algo cuando tu programa no tiene función de reinicio.

Indicador LED de Alimentación

Algunos MCU Arduino traen un LED de alimentación que indica si la unidad está encendida. Generalmente se ilumina al conectar la placa a una fuente de alimentación. Si no se enciende, probablemente algo va mal.

LEDs de Transmisión y Recepción de Señal

Etiquetados TX (transmitir) y RX (recibir), muestran actividad de comunicación serie. Dan una pista visual sutil cuando la unidad recibe o transmite datos.

Regulador de Voltaje

Aunque no es programable por el usuario, las placas Arduino incluyen un regulador de voltaje que controla la cantidad de voltaje que circula por la placa. Tiene límites, pero la mayoría de proyectos no superan los 20 voltios.

1.2 Complementos y Accesorios de Arduino

Los componentes anteriores vienen en todos los MCU Arduino, pero no son los únicos componentes electrónicos que puedes usar. Las placas cumplen estándares IEEE e ISO, así que puedes usar cualquier componente estándar para hacer tu proyecto Arduino valioso. Sin embargo, la especificación de la plataforma Arduino exige algunos complementos compatibles. Por eso, la mayoría de proveedores Arduino también venden sensores y shields Arduino. Ningún proyecto Arduino estará completo sin ellos.

Sensores

Puedes usar un poco de código para que tu Arduino controle e interactúe con una serie de sensores.

La mayoría de vendedores ofrecen sensores para medir:

• Luz
• Temperatura
• Grado de flexión
• Presión
• Proximidad
• Aceleración
• Monóxido de carbono
• Radiactividad
• Humedad
• Presión barométrica

Protoboard (Breadboard) para Arduino

Puedes conseguir una protoboard sin soldadura para tu proyecto. Esta placa te permite crear prototipos y experimentar con diseños y distribuciones de circuitos sin soldar permanentemente los componentes a tu PCB. Puedes probar ideas de diseño y distribución. La protoboard no tiene adaptador de alimentación, así que necesitarás cables puente para alimentarla desde la placa principal.

Shields (Escudos)

Las piezas finales del puzzle Arduino son los shields. Estas placas hija preconstruidas se colocan sobre la placa principal Arduino para añadir capacidades.

Algunas funciones estándar de shields incluyen:

• Control de motores
• Conectividad a Internet
• Redes y comunicaciones móviles/celulares
• Controladores de pantalla LCD

Los desarrolladores Arduino usan el IDE (entorno de desarrollo integrado) oficial de Arduino para escribir sus programas. El IDE de código abierto basado en Java funciona en Windows, Mac y Linux. Ofrece un entorno único para escribir y probar código en el lenguaje Processing antes de cargarlo en tu dispositivo.

El Arduino Uno — El Arduino Más Popular

Como no hay dos proyectos iguales, el grupo Arduino publicó especificaciones para varios tipos de placas. Una de las más populares es el Arduino Uno.

Como excelente opción para principiantes, el Arduino Uno MCU de 22 $ es una placa básica. Solo trae los componentes esenciales, pero te permite diseñar tu proyecto a tu manera. Con 25 gramos, este PCB de 68,5 x 53,4 mm es lo bastante ligero para caber en una carcasa.

La versión actual, Arduino Uno R3, incluye:

• Microprocesador ATmega328P
• 14 pines digitales de entrada/salida
  • 6 salidas PWM
  • LED integrado (conectado al Pin 13)
  • Salidas de voltaje de 5 V, 3,3 V y tierra
• Seis pines analógicos
• Puerto USB
• Conector de alimentación
• Botón de reset
• Voltaje de operación: 5 V
• 32 KB memoria flash
• 2 KB SRAM y 1 KB EEPROM

El Uno no fue la primera placa Arduino, pero es la más usada activamente. También es el factor de forma más documentado, con montones de tutoriales y foros en Internet.

Arduino Mega — El MCU para Proyectos GRANDES

Efectivamente cuatro Uno en uno, el Arduino Mega es la placa para tus proyectos masivos. Alimentado por un chip Atmel ATmega2560, el Mega aporta cuatro puertos serie con un puerto USB aparte para alimentación e interfaz con ordenadores. Incluso cuenta con un procesador ATmega16U2 dedicado solo para el puerto USB extra. También puedes alimentar el MCU con pila.

El Mega tiene:

• 54 pines digitales de entrada/salida (I/O) con 14 compatibles con PWM
• 16 pines analógicos de I/O
• Puerto USB
• Conector de alimentación
• Botón de reset

La gran cantidad de pines define la placa. Puedes usarlos en proyectos que requieran muchas conexiones digitales I/O, LEDs o botones.

El resto de la potencia del Mega proviene de su procesador. El microprocesador ATmega2560 puede con lo que le eches. Cuenta con velocidad de reloj de 16 MHz, 256 KB de flash, 8 KB de SRAM y 4 KB de EEPROM. Todo esto hace del Arduino Mega la placa ideal para impresoras 3D y robótica.

Arduino ESP8266 Hace tus Proyectos Inalámbricos

Ninguna placa Arduino trae redes inalámbricas integrada. Tampoco la encontrarás en los shields disponibles. Necesitas un Módulo Wi-Fi Arduino ESP8266 si quieres hacer tu proyecto inalámbrico.

Aunque hay módulos más nuevos, el ESP8266 es el original. Puede que no esté diseñado para funcionar como MCU independiente, pero tu proyecto necesita uno en el mercado móvil actual.

Ofrece una conectividad inalámbrica decente. La placa trae pines de alimentación, tierra, transmisión y recepción para conectar estas características a tu Arduino principal, además de un pin de encendido/apagado "chip-controlled power down" (CH_PD). También tienes un reset y dos pines GPIO de datos.

Hay un inconveniente: el ESP8266 requiere una señal de alimentación de 5 voltios. No funciona con los 3,5 voltios estándar de Arduino.

Subsistema y Marco PWM

5.1 PWM en Arduino

La Modulación por Ancho de Pulso (PWM) simula una señal analógica usando ondas cuadradas con frecuencias y amplitudes variables. La plataforma Arduino usa estas señales para regular circuitos analógicos con sus salidas digitales.

El sistema PWM de Arduino no es hardware aparte. Todas las placas Arduino traen las llamadas al sistema integradas. Solo necesitas escribir un programa que las use. El comando crea la onda cuadrada a través de un pin compatible.

5.2 Arduino Nano — Perfecto para Dispositivos y Proyectos Pequeños

Como la versión más pequeña de la plataforma Arduino, el Arduino Nano ofrece las mismas prestaciones que el Uno en un paquete mucho más compacto, alimentado por un procesador ATmega328P y un coprocesador Atmega168. Usa el mismo software IDE Arduino que las demás placas.

El Nano incluye:

• 14 pines digitales I/O con 6 compatibles PWM
• Ocho pines analógicos
• Voltaje de operación: 5 V
• Botón de reset
• Puerto USB
• Puerto serie
• 32 KB memoria flash
• 8 KB SRAM
• 1 KB EEPROM

A pesar de su tamaño, el Nano funciona excelentemente con estos tipos de proyectos:

• Sistemas embebidos
• Automatización
• Robótica
• Sistemas de control
• Instrumentación

¿Por Qué Elegir Arduino frente a Raspberry Pi?

Arduino no es el único MCU del mercado. Muchos otros ofrecen prestaciones similares, incluida la Raspberry Pi. Sin embargo, la Pi es un producto muy diferente.

Para empezar, la Raspberry Pi es un ordenador completo. Arduino no lo es. Un microcontrolador es solo un pequeño componente que forma parte de un ordenador. Por eso, Arduino solo ofrece un subconjunto de lo que la Pi ofrece. Por ejemplo, solo puede ejecutar pequeñas aplicaciones, no un sistema operativo completo.

6.1 Fortalezas y Debilidades de Arduino

Eso no significa que Arduino sea inútil. Es perfecto para proyectos electrónicos que no necesitan un ordenador entero. Puedes conectarlo directamente a tus componentes y sensores y tener todo funcionando out-of-the-box con poca o ninguna configuración.

Arduino lo logra gracias a su firmware. El firmware es el software central que ejecuta la línea de placas Arduino. También se comunica con tu ordenador por USB para darte acceso a todas sus funciones programables. Aunque siempre puedes reemplazar el firmware, nunca tendrás que hacerlo. Ni siquiera necesitas reiniciarlo. Una vez subes tu código, puedes ejecutarlo en cualquier sitio inmediatamente. No necesitas teclado, pantalla ni medio para elegir una aplicación. La placa hará el único trabajo que le des.

6.2 La Raspberry Pi es un Ordenador Completo

En cambio, la Raspberry Pi es un ordenador totalmente funcional. Necesita un sistema operativo para funcionar, lo que requiere reinicios para mantenerse operativo. La placa no tiene almacenamiento interno; debes proporcionar una tarjeta micro-SD externa para guardar los programas. Aunque tiene Ethernet integrado, puedes actualizar el software sin quitar la tarjeta.

La Pi funciona con una CPU Broadcom Arm-v6 completa con memoria y procesador gráfico HDMI. También trabaja genial con teclado y ratón, permitiéndote cargar una variante de Linux y que nadie note que usas una máquina tan diminuta para moverlo todo. Así de potente es. Es la plataforma perfecta para proyectos que requieren interactividad total del usuario y toda esa potencia de proceso.

Sin embargo, esta potencia hace que la Pi no sea adecuada para proyectos pequeños. Por ejemplo, para encender un LED en Arduino basta conectarlo y usar ocho líneas de código. La Pi necesitará librerías extra además de tu código solo para empezar, y eso si ya tienes un sistema operativo instalado en la placa.

No significa que no puedas usar ambas para los mismos proyectos. Puedes instalar librerías que den a la Pi las mismas funciones que Arduino. Solo lleva mucho más tiempo y esfuerzo usar una Pi en un proyecto.

Arduino también tiene una comunidad de desarrolladores más grande. Como plataforma más popular para proyectos electrónicos, Arduino tiene muchos tutoriales para principiantes que te ayudan a empezar.

De todos modos, nunca tienes que elegir entre ambas. Funcionan genial juntas. Con el accesorio adecuado, tu Arduino puede convertirse en una placa hija de extensión para tu Raspberry Pi, dando a ambas acceso a las funciones de la otra.

Conclusión

Arduino es una familia de plataformas de microcontroladores diseñada específicamente para proyectos electrónicos DIY (hazlo tú mismo). Estas placas de un solo uso vienen con todo lo necesario para automatizar tu tarea y más. Solo tienes que enchufarla a tu ordenador, crear código y ejecutarlo. Ella hace el resto.

Para conseguir una o cualquier otro componente para tus proyectos, contáctanos ya. Nuestros representantes entienden Arduino y están listos para ayudarte a decidir qué placa y complementos son los adecuados. Incluso podemos ayudarte a conseguir las piezas para conectar tu Arduino a una Raspberry Pi y llevar tus dispositivos al siguiente nivel.