Introducció a Arduino

Què és Arduino?

Arduino és una plataforma basada en maquinari i programari obert i fàcil d’utilitzar. Les plaques Arduino són capaces de llegir determinades entrades - la llum en un sensor o un dit sobre un botó - i convertir-lo en una sortida - l'activació d'un motor, encendre un LED, publicar alguna cosa en línia.

A través dels anys, Arduino ha estat el cervell de milers de projectes, des d'objectes quotidians fins instruments científics complexos. Darrerament, al voltant d'aquesta plataforma s'ha creat una comunitat mundial - estudiants, aficionats, artistes, programadors i professionals – i les seves contribucions han afegit una increïble quantitat de coneixement accessible que pot ser de gran ajuda tant per als principiants com per experts.

Arduino va néixer a l’ Institut de Disseny d'Interacció Ivrea com una eina fàcil per al prototipatge ràpid, dirigit a estudiants sense experiència en electrònica i programació. Tan aviat com va arribar a una comunitat més àmplia, la placa Arduino va començar a canviar per adaptar-se a les noves necessitats i reptes. Totes les plaques Arduino són completament de codi obert, permetent als usuaris crear de forma independent i, finalment, adaptar-los a les seves necessitats particulars. El programari també és de codi obert, i està creixent a través de les contribucions dels usuaris a tot el món.

El programari d’Arduino és fàcil d'usar per als principiants, però prou flexible per als usuaris avançats. S'executa en Mac, Windows i Linux. Els professors i estudiants el poden utilitzar per construir instruments científics de baix cost, per demostrar els principis de química i física, o per començar amb la programació i la robòtica. Qualsevol persona - nens, aficionats, artistes, programadors - pot començar a jugar simplement seguint les instruccions pas a pas d'un kit, o compartir idees en línia amb altres membres de la comunitat Arduino. És l'opció més fàcil, amb més comunitat darrera i menys costosa per desenvolupar projectes basats en microcontroladors.

Es necessita un programa extern instal·lat i executat en un altre ordinador per poder escriure programes per la placa Arduino. Aquest software és l’anomenat Arduino IDE. IDE significa "Integrated Development Environment" (Entorn de Desenvolupament Integrat). Escrius el teu programa a l'IDE del teu ordinador, el carregues a l'Arduino a través d'USB i finalment el programa s'executa a la placa.

Filosofia Arduino

Com l'entorn és molt simple, moltes vegades és més senzill provar coses i veure què passa, que sotmetre les nostres idees a una anàlisi teòrica abans de posar-les en pràctica. Això suposa una forma de treballar diferent. Amb Arduino s'aprèn fent projectes. Aquest enfocament s'explica en part pel seu origen, que es remunta a la mítica escola de disseny d'interacció d'Ivrea (Itàlia). Arduino va néixer per proporcionar un xip barat a artistes digitals i dissenyadors interactius que els permetés desenvolupar de forma ràpida i econòmica les seves idees. En el mètode de treball d'un dissenyador té molta importància la prova i l'error, el pensar fent. En lloc de tractar d'entendre un problema completament abans de començar a pensar una solució, l'enteniment del problema es produeix mentre busquem solucions. Per això la senzillesa d’Arduino s'adapta molt bé a aquesta forma de treball, sent possible iterar i provar idees amb un cost de temps i diners baixos.

En els últims anys els creadors d’Arduino, mantenint la seva filosofia de plataforma lliure, han cuidat en extrem el seu enfocament com a producte. Des de la versió 1.0 els diferents productes i kits Arduino es presenten amb bonics embalatges i instruccions. Per exemple, en el kit d'iniciació s'inclou tots els components necessaris per començar a desenvolupar projectes senzills.

Tipus de plaques i mòduls

Actualment hi ha una àmplia gamma de productes oficials Arduino, incloent diferents tipus de plaques. Depenen del tipus de projecte a desenvolupar, són més adequades unes o altres.

Es diferencien en velocitat de processament, memòria, ports d'E / S i la connectivitat, però la seva funcionalitat bàsica és la mateixa.

De totes maneres, la placa més venuda i que és la més aconsellable per a la majoria de projectes, sobretot si estàs començant, és la Arduino UNO. És suficient per a la majoria de projectes, té un bon preu i disposa d'uns paràmetres equilibrats.

A un preu assequible, també hi ha al mercat altres no oficials però compatibles: són plaques compatibles amb Arduino però no poden estar registrades sota aquest nom. Són dissenyades i fabricades per altres companyies alienes. Són derivats o clons que han sortit per cobrir altres necessitats. Aquestes freqüentment utilitzen un nom que integra el sufix “duino” per identificar-les.

També cal tenir clara la diferència entre el que són plaques, shields (mòduls addicionals o extensions), accessoris i components. El catàleg sencer es pot trobar al lloc web oficial Arduino.

Es pot adquirir només la placa i comprar per separat els components electrònics necessaris o bé una bona opció per començar és algun dels kits que es poden trobar al mercat. Aquest és l’oficial (però se’n poder trobar altres més econòmiques):

A diferència de la majoria de plataformes, és escalable i permet la connexió amb altres circuits existents a través de Shields, amb les que es pot ampliar el seu ús, donant-li una major varietat d'aplicacions. Un Shield és una placa impresa que es pot connectar en la part superior de la placa Arduino per ampliar les seves capacitats, podent ser apilada una a sobre de l'altra. Les shields solen ser dissenys bastant simples i en general de codi obert. És a dir, els Shields o extensions són plaques addicionals que es connecten damunt la placa principal, com un pis addicional per ampliar les seves funcions. Normalment, permeten la connectivitat amb altres sistemes externs. Alguns dels mòduls existents són:

Característiques tècniques

Arduino UNO és una placa amb un microcontrolador de la marca ATMEL i amb tot els circuits de suport. Inclou regulador de tensió, entrada d’alimentació externa, pins d’entrada i sortida i un port connectat a un mòdul adaptador USB que permet programar el microcontrolador des de qualsevol PC.

Disposa de 14 pins que poden ser configurats com a entrada o sortida i als quals pot connectar-se qualsevol dispositiu que sigui capaç de transmetre o rebre senyals digitals de 0 i 5V. Cada pin pot subministrar fins a 40 mA. La intensitat màxima d'entrada també és de 40 mA. Cadascun dels pins digitals disposa d'una resistència de pull-up interna d'entre 20KΩ i 50 KΩ que està desconnectada, tret que nosaltres indiquem el contrari. També disposa d'entrades i sortides analògiques. Mitjançant les entrades analògiques podem obtenir dades de sensors en forma de variacions contínues d'un voltatge.

Els pins configurats com sortida es diu que estan en un estat de baixa impedància i poden proporcionar 40 mA de corrent a altres dispositius i circuits.

Fonts consultades:

Arduino Products. Enllaç: https://www.arduino.cc/en/Main/Products

Limitacions

A destacar que la freqüència de treball del processador és baixa, però és suficient pel tipus de projectes que volem desenvolupar.

El corrent màxim que proporcionen les sortides és suficient per alimentar un díode LED, un display o un petit servomotor, però no és prou gran per alimentar càrregues de major consum com motors de més potència. Però existeixen formes de superar aquesta limitació, com incloure un petit circuit de potència entre la placa i el perifèric (driver de potència o transistors).

La memòria Flash, allà on es carrega el programa que s’executa, només disposa de 32KB, per tant, té una limitació en quan a la complexitat dels programes.

Fonts consultades:

McRoberts, M. (2010).

Alimentació

Hi ha tres vies principals pels quals podem alimentar la placa:

1. Connector USB (que proporciona 5 V). Connectant-lo a l’USB de l’ordinador, la limitació serà que la placa ha d’estar permanentment connectada i per tant no té gaire mobilitat. No adequada per segons quins projectes.

2. Clavilla jack de 2,1mm.

3. Pin Vin

Per altra part, els pins alimentació de la placa són:

• GND. És la presa de terra, o nivell 0 V de referència.

• VIN. Entrada de voltatge externa, es pot proporcionar voltatge a través d'aquest pin. O si ja està alimentat a través de la connexió de 2.1mm, accedir a ella a través d'aquest pin. En aquest segon cas, proporciona la tensió màxima amb la qual està alimentat Arduino.

• 5 V Totes les plaques Arduino disposen d'un regulador de voltatge integrat en la placa que proporciona una tensió estable de 5V, i una intensitat màxima de 300 mA. S'usa per alimentar el microcontrolador i els altres components de la placa. Aquesta pot provenir de VIN a través del regulador, o proporcionada directament per l'USB (en aquest cas el regulador no actua).

• El regulador de voltatge també proporciona una tensió de 3,3 V, i una intensitat màxima de 50 mA.

Amb quina tensió ha d'alimentar-se? Es recomana entre 6 i 12v perquè:

• Totes les plaques Arduino disposen d'un regulador de voltatge, les sortides del qual són de 5V i 3,3V amb les quals s'alimenta el microcontrolador. Aquest regulador suposa una petita caiguda de tensió entre entrada i sortida, per la qual cosa haurem de proporcionar una tensió d'almenys 6V d’alimentació d'entrada. Per sota d'aquesta tensió, el més probable és que Arduino s'apagui.

• D'altra banda, com més gran sigui el voltatge, major serà la calor que el regulador ha de dissipar. No aquest recomanat aplicar més de 12V al regulador perquè suposa un esforç excessiu. Proporcionar més de 20V danyarà el regulador immediatament.

A tenir en compte que si l’estem alimentant amb USB, aquest només pot proporcionar un màxim de 500mA. Això vol dir que podem connectar un servomotor sense problemes, però si fiquem un segon motor podem no tenir suficient corrent per proporcionar als dos, ja que a més amb aquest corrent màxim de 500mA també s’alimenta a la propia placa d’Arduino. Per això, és important fixar-se en el consum que demanden els perifèrics que connectem a l’Arduino, perquè en cas contrari hi podem tenir problemes. Podríem pensar que si els pins poden donar fins 40mA., com és que pot alimentar un motor que demana un corrent de 250mA.? Cal tenir en compte que el senyal dels pins de sortida no alimenta el motor, sinó que li proporciona el senyal de control. L'alimentació, es fa a través de l’entrada de Vcc del motor, ja que no podem alimentar-lo amb un pin de l’Arduino.

Opcions d’alimentació a través de bateria

UNA PILA DE 9V

Usar una pila de 9V és una de les opcions més esteses, especialment per a usuaris que s'estan iniciant i en projectes de petita grandària. El voltatge de 9V és apropiat per alimentar Arduino.

A més hi ha disponibles cables i portapiles, que fins i tot incorporen un connector jack tipus Arduino, la qual cosa fa que siguin fàcils d'usar.

Com a desavantatges, les piles de 9V tenen una capacitat per proporcionar una intensitat de corrent màxim molt baixa, entorn de 300mA., útil solament per a projectes petits.

D'altra banda, 9V és una tensió inadequada per a la majoria d'accionadors. Resulta excessiva per a la majoria de motors DC i servos, mentre que no és suficient per a grans motors i motors pas a pas, que funcionen amb 12V i, a més, requereixen molta més intensitat.

El preu és reduït, però tenen el gran desavantatge de no ser dispositius recarregables, la qual cosa, unit a la seva baixa càrrega, fan que a llarg termini no resultin econòmiques.

En resum, una opció per a petits muntatges o proves senzilles, però que de seguida queda curt en característiques.

4 PILES AA D'1.5V

Emprar quatre piles AA en sèrie, proporcionant un total de 6V, és una altra opció senzilla i àmpliament usat en petits projectes i projectes d'iniciació.

Podem trobar amb facilitat porta piles, cables i altres solucions per incorporar quatre piles AA com a forma d'alimentació en els nostres projectes.

El voltatge de 6V és perfecte per alimentar motors de DC i servos. La càrrega és superior que a les piles de 9V. Quatre piles AA convencionals proporcionen 800-1500 mA., mentre que, en el cas d'usar piles AA alcalines la capacitat és de 1700-2800mA.

La intensitat màxima que podem obtenir supera 1A, podent arribar a extreure fins a 2A. Però hem de tenir en compte que, a causa de les corbes de descàrrega, la quantitat de càrrega que podem extreure de la pila es redueix com més ràpid la drenem.

El preu de les piles és barat, però al no ser recarregables a llarg termini no resulta econòmic.

En resum, una altra opció senzilla, vàlida per a petits projectes i robots.

BANCS DE BATERIES USB DE 5V

Emprar una bateria USB, de les quals s'usen per allargar la bateria dels mòbils, és una opció interessant per incorporar en els nostres projectes.

Tenen com a avantatge que proporcionen 5V regulats, per la qual cosa podem alimentar Arduino a través de l'USB, sense preocupar-nos de la necessitat de regular el voltatge.

El voltatge de 5V és adequat per alimentar una gran varietat de components, com a motors DC, servos, així com una gran quantitat de dispositius (sensors, tires LED, displays… ).

Aquests bancs són, per descomptat, recarregables. La capacitat d'energia és alta, podent trobar bancs de fins a 17.000 mAh.

Com a desavantatge, és una opció cara enfront d'altres opcions disponibles. A més, la intensitat màxima és reduïda, típicament inferior a 2A, la qual cosa li fa inviable per a projectes grans.

En resum, un banc de bateries USB és una bona solució de mobilitat, com a bateria per portar damunt que ens permeti fer proves i muntatges de forma senzilla (i molt millor que una bateria de 9V).

Fins i tot és una opció que podríem plantejar-nos en projectes i robots mitjans, sempre que puguem reaprofitar i rotar la mateixa bateria entre els diferents projectes per aprofitar el seu cost.

BATERIES DE POLIMER LITI (LIPO)

Són l'opció més avançada per alimentar els nostres projectes.

Les bateries LiPo es presenten en diversos voltatges, en funció del nombre de cel·les. Així les LiPo de 2 cel·les (2S) proporcionen 7.4V-8.4, i les de 3 cel·les (3S) proporcionen 11.1-12.6V. Tots dos voltatges són adequats per alimentar un Arduino. Les bateries de 2S (7.4-8.4V) poden emprar-se per alimentar servos i motors DC, encara que és una tensió alguna cosa excessiva i convé reduir-la fins als 6-7V. Les bateries de 3S (11.1-12.6V) són adequades per accionar grans motors pas a pas, i motors brushless. Les bateries LiPo presenten la densitat d'energia més alta de les opcions plantejades. Podem trobar bateries amb capacitats des de 500 a 5000mAh. A més, les bateries LiPo tenen l'avantatge de proporcionar enormes intensitats. És possible trobar bateries 20-25C, la qual cosa es tradueix en intensitats de descàrrega de 50 a 100A, requerida pels motors més grans. Les bateries LiPo també són l'opció més cara, encara que en ser recarregables resulten econòmiques a llarg termini.

El desavantatge més gran d'aquestes bateries és la dificultat i cura que cal tenir en el seu ús. Manipular de forma indeguda una bateria LiPo pot ser extremadament perillós, per la gran quantitat d'energia que emmagatzemen. La càrrega d'aquest tipus de bateries ha de realitzar-se mitjançant carregadors especials, i no haurien de deixar-se sense supervisió durant el procés. Fins a l'emmagatzematge d'aquestes bateries ha de realitzar-se en condicions controlades. Així, les bateries LiPo són la solució més potent per alimentar els nostres projectes, però els requisits de manipulació i càrrega la fan adequada només per a usuaris avançats i els projectes complexos.

Fonts consultades:

Prometec. Curso de Arduino. Enllaç: http://www.prometec.net/

Llamas, L. Tutoriales de Arduino. Enllaç: http://www.luisllamas.es/tutoriales-de-arduino/

Fonts consultades en la valoració econòmica

ArduinoStore. Botiga en línia oficial Arduino. Enllaç: https://store.arduino.cc/index.php

Bricotronica. Botiga en línia. Enllaç: http://bricotronica.com/

Bricogeek. Botiga en línia. Enllaç: http://tienda.bricogeek.com/71-accesorios-robotica

Diotronic. Botiga en línia. Enllaç: http://www.diotronic.com/

PCcomponentes. Botiga en línia. Enllaç: http://www.pccomponentes.com/arduino_componentes.html

RoboShop. Botiga en línia. Enllaç: http://www.robotshop.com/

Ro-botica Botiga en línia. Enllaç: http://goo.gl/SNhbgR

Electan. Botiga en línia. Enllaç: http://www.electan.com/

#Arduino