Free Book

Juan José López Almendros

arduinoblocks@gmail.com

Colaborador oficial:

https://shop.innovadidactic.com/es/

Distribuidor oficial de componentes:

1 Introducción

1.1  Plataforma Arduino

1.2  Plataforma arduinoblocks

1.3  AB- Connector

2  Hardware

2.1  Conceptos básicos de electrónica

2.2  La fuente de alimentación

2.3  Arduino: UNO y Nano

2.4  Arduino: Leonardo y ProMicro

2.5  Arduino: Mega

2.6  ESP8266: NodeMCU y WeMos

2.7  ESP32

2.7.1 ESP32 STEAMakers

2.8  Sensores

2.9  Actuadores

2.10  Comunicaciones

2.10.1  Comunicación serie

2.10.2  Comunicación I2C / TWI

2.10.3  Comunicación SPI

2.10.4  Comunicación Ethernet

2.10.5  Comunicación WiFi

3  Software

3.1  Algoritmos

3.2  Bloques de uso general

3.2.1  Lógica

3.2.2  Control

3.2.3  Matemáticas

3.2.4  Texto

3.2.5  Variables

3.2.6  Listas

3.2.7  Funciones

3.3  Bloques Arduino

3.3.1  Entrada/Salida

3.3.2  Tiempo

3.3.3  Puerto serie

3.3.4  Bluetooth

3.3.4.1 Bluetooth HID (ESP32 / ESP32 STEAMakers)

3.3.5  Sensores

3.3.6  Actuadores

3.3.7  Pantalla LCD (4-Bits)

3.3.7.1 Pantalla LCD (I2C)

3.3.8  Pantalla OLED

3.3.9  Memoria EEPROM

3.3.10  Motores

3.3.11  Motor-Shield

3.3.12  Keypad

3.3.13  Reloj de tiempo real (RTC DS3231)

3.3.14  GPS

3.3.15  Tarjeta SD

3.3.16  MQTT

3.3.17  Neopíxel / WS2812

3.3.18  RFID

3.3.19  Matriz de leds 8x8

3.3.20  Reproductor Mp3

3.3.21  Domótica

3.3.22  Teclado / Ratón

3.3.23 Blynk

3.3.24 Conectividad ESP8266 / ESP32 / ESP32 STEAMakers

3.3.24.4 Servidor HTTP

3.3.24.5 Ciente HTTP

3.3.24.6 Wifi-Mesh

ANEXO I: Bloques incompatibles con bloqueos de tiempo.

ANEXO II: Arduino UNO R3 pinout

ANEXO III: Enlaces de interés y bibliografía:

1 Introducción

La plataforma arduinoblocks permite iniciarnos en el mundo de la electrónica,  robótica y el mundo “maker” de una forma sencilla e intuitiva.

La motivación de desarrollar la plataforma arduinoblocks y escribir este libro nace de mi trabajo como docente con alumnos de entre 12 y 18 años, sin previos conocimientos de programación, que quieren adentrarse en el mundo Arduino partiendo de una nociones básicas de electricidad y electrónica.

        arduinoblocks es la herramienta perfecta para niños, jóvenes y no tan jóvenes que quieren iniciarse en el mundo Arduino de una forma divertida e intuitiva.

Aprender a programar con bloques, aunque parece un juego, es una forma totalmente válida de obtener los conceptos básicos de programación que posteriormente se podrán aplicar a cualquier otro lenguaje de programación, ya sea visual o escrito. Programando con bloques nos olvidamos principalmente de los fallos de sintaxis pero tenemos que aprender de igual forma conceptos básicos como secuenciación, bucles, variables, condiciones, funciones, etc. Desarrollamos la capacidad de abstracción de un problema para convertirlo en una secuencia de comandos, o bloques, que resolverán el problema, es decir, aprenderemos a pensar como un programador.

Por experiencia, creo que el aprendizaje con un sistema visual suele ser menos estresante y permite obtener resultados mucho más rápido, obteniendo una experiencia mucho menos fustrante para el programador novel. Y en muchos casos, se utiliza esta iniciación como trampolín para dar el salto a una programación avanzada mediante código escrito obteniendo muchas más éxito.

1.1  Plataforma Arduino

        Arduino es un proyecto de hardware libre que ideó una plataforma completa de hardware y software compuesta por placas de desarrollo que integran un microcontrolador y un entorno de desarrollo IDE. La idea surgió para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinarios.

        El hardware consiste en una placa de circuito impreso con un microcontrolador, normalmente Atmel AVR, y puertos digitales/analógicos de entrada/salida donde conectar sensores y/o actuadores.

        La primera placa Arduino fue introducida en 2005, ofreciendo un bajo costo y facilidad para uso de novatos y profesionales.

        Puedes consultar más información sobre la historia y el entorno Arduino en wikipedia:

https://es.wikipedia.org/wiki/Arduino

Existen múltiples placas Arduino con diferentes características y distintos microcontroladores.

El más utilizado y estándar es el Arduino UNO, sin embargo en algunos casos podemos necesitar otra placa Arduino para adaptarnos al tipo de proyecto a realizar.

https://www.arduino.cc/en/Main/Boards

Algunas de las placas Arduino más utilizadas:

Dentro de nuestros proyectos, la placa Arduino será el “cerebro” que gestiona toda la información recogida desde los sensores, toma decisiones y actúa sobre los elementos de control conectados.

Según las necesidades del proyecto deberemos elegir la placa Arduino más apropiada. arduinoblocks soporta multitud de placas y robots basados en Arduino: Arduino UNO, Nano y MEGA, Leonardo, ProMicro, EasyPlug, Otto DIY, KeyBot, 3dBot,...

Por otro lado el “framework Arduino” se ha adaptado a otros microcontroladores de bajo costo y muy potentes como esl el caso del “ESP8266”, en concreto podremos programas las placas de desarrollo basadas en este chip: NodeMCU y WeMos D1 / mini..

        Una de las características de Arduino, es su “bootloader” que permite grabar el programa dentro del microcontrolador directamente desde la conexión USB del ordenador.

El tamaño de memoria Flash para el programa de un Arduino UNO es de 32KB  de los cuales debemos restar el tamaño del “bootloader” pregrabado (0.5KB en Arduino UNO y  2KB en Arduino NANO)

1.2  Plataforma arduinoblocks

        arduinoblocks es una plataforma donde podemos programar nuestra placa Arduino de forma visual sin necesidad de conocer el lenguaje C++/Processing que utiliza Arduino IDE.

        arduinoblocks se basa en el framework Blockly de Google y la programación se realiza con bloques al estilo AppInventor o Scratch. No tenemos que escribir líneas de código y no nos permitirá unir bloques incompatibles evitando así posibles errores de sintaxis.

        La plataforma arduinoblocks genera, compila y sube el programa a la placa Arduino por medio de la conexión USB.  Una vez subido el programa, la placa Arduino no necesitará de la conexión al PC para funcionar pudiendo alimentarla con baterías o una fuente de alimentación para que funcione de forma autónoma.

arduinoblocks actualmente funciona con todos los navegadores de última generación: Mozilla Firefox, Google Chrome, Opera, Safari, etc. (recomandado Firefox y Chrome)

Registrándonos como usuarios de la plataforma arduinoblocks podemos aprovechar todas estas posibilidades:

• Guardar tus proyectos en la nube de arduinoblocks.
• Añadir información al proyecto: descripción, componentes utilizados, imágenes, etc.
• Añadir archivos adjuntos relacionados con el proyecto: esquemas, fotos, archivos para impresión 3D, aplicaciones, etc.
• Compartir proyectos con el resto del mundo.
• Importar proyectos compartidos por otros usuarios.
• Importar y exportar proyectos en archivo para publicar en web o compartir.
• Exportar el código .ino para utilizarlo en Arduino IDE
• Exportar el proyecto completo como .zip incluyendo librerías para Arduino IDE
• Programar directamente Arduino desde el propio navegador (Con la aplicación: arduinoblocks-Connector, ver apdo. 1.3)
• Utilizar la consola serie desde el propio navegador

www.arduinoblocks.com

• Registro de nuevo usuario: Para empezar a usar arduinoblocks y tener acceso a todas sus funcionalidades debemos de registrarnos para tener nuestra cuenta de usuario. Para ellos debemos pinchar en “iniciar sesión” y a continuación en la opción “nuevo usuario”:

En el formulario de registro debemos completar nuestros datos, y usar un correo electrónico válido donde recibirremos un correo de confirmación para activar la

A continuación revisa tu bandeja de entrada del correo electrónico y recibirás un correo con un enlace para confirmar y activar tu cuenta de usuario. A partir de ese momento puede iniciar sesión y crear tus proyectos dentro de tu cuenta de arduinoblocks.

        Si eres profesor y quieres crear cuentas para tus alumnos o centro educativo sin utilizar el correo electrónico de los alumnos, puedes crear “cuentas gestionadas”.

• Inicio de sesión: Debemos iniciar sesión o crear previamente una nueva cuenta en caso de acceder por primera vez. Esto nos permitirá acceder a nuestros proyectos en la nube y a todas las ventajas de la comunidad arduinoblocks.

• Usuarios gestionados: Si eres profesor y quieres crear cuentas para tus alumnos o centro educativo puedes utilizar la opción de usuarios gestionados. De esta forma no se necesita correo electrónico de los alumnos y los usuarios están bajo el control de la cuenta de usuario del profesor (o profesores). Los usuarios gestionados tienen algunas limitaciones como no permitir archivos adjuntos en los proyectos o no poder crear proyectos como profesor.

        Lo primero que debemos hacer es crar una organización. Puede ser el nombre de nuestro centro, academia, etc.

        Podemos añadir a otros profesores a partir de su cuenta (con el correo electrónico) para que sean colaboradores dentro de la organización y también puedan gestionar alumnos.

        Cada usuario gestionado tendrá un nombre y para iniciar sesión el nombre de usuario será:

                nombre.organización

        Los usuarios administradores de la organización podrán:

                -Crear nuevos usuarios, editar y eliminar usuarios gestionados

                -Cambiar la clave de los usuarios (no pueden ver la actual, pero sí cambiarla)

                -Crear proyectos como profesor para estos alumnos

                -Eliminar la organización y todos los usuarios

        Los usuarios gestionados dentro de la organización podrán:

                -Crear proyectos personales (sin archivos adjuntos)

                -Unirse a proyectos de profesor, siempre que el profesor sea administrador de la organización.

                -Cambiar su propia clave

                -Exportar un proyecto a archivo (si tienen una cuenta de usuario normal, de esta forma pueden exportar e importar proyectos entre cuentas)

• Perfil de usuario: Dentro del perfil del usuario podemos ajustar datos personales y configuración específica del usuario:

• Creación de un nuevo proyecto : Para iniciar un nuevo proyecto debemos hacer clic en el menú:

En caso de un proyecto personal o como profesor debemos seleccionar en el siguiente paso la placa Arduino a utilizar:

Se debe indicar un nombre descriptivo corto y una descripción más detallada.

En la sección componentes podemos indicar los componentes utilizados en el proyecto:

• Área de programación del proyecto:

Las principales secciones del área de programación son:

Para añadir bloques al programa arrastramos desde la barra de herramientas al área de programa, insertando dentro del bloque de inicialización o de bucle.

Los bloques que estén fuera del bloque de inicialización o del bloque del bucle del programa principal serán ignorados a la hora de generar el programa (excepto los bloques de funciones o bloques especiales como interrupciones y otros eventos).

arduinoblocks genera el código de Arduino a partir de los bloques. El programa se puede compilar y subir directamente a la placa Arduino gracias a la aplicación arduinoblocks-Connector (disponible para descargar desde la web), sin embargo si deseamos ver o descargar el código podemos realizarlo desde el área de bloques.

        Si descargamos o copiamos el código generado por arduinoblocks en Arduino IDE podemos necesitar algunas librerías no incluidas con Arduino IDE. Para ello debemos descargarla y añadirlas a la plataforma Arduino IDE para una correcta compilación del programa, o utilizar la opción descargar .zip para Arduino IDE lo que nos facilitará un archivo comprimido con el código de nuestro programa y todas las librerías necesarias incluidas en la misma carpeta.

http://www.arduinoblocks.com/web/help/libraries

La opción más rápida y sencilla es la compilación y programación directa desde el propio navegador junto a la aplicación arduinoblocks-Connector:

http://www.arduinobocks.com/web/site/abconnector

• Área de información del proyecto:  Un proyecto electrónico debe estar siempre correctamente documentado. En la sección información podemos añadir información o modificar la indicada durante la creación del proyecto.

Señalando la opción “público” podemos hacer que nuestro proyecto esté disponible públicamente para que otros usuarios busquen nuestro proyecto (sin poder editarlo) y pueden importar una copia a su propia cuenta.

Ejemplo: enlace público para compartir nuestro proyecto:

Al indicar nuestro proyecto como “público” aparecerá en la lista búsqueda de proyectos compartidos para todos los usuarios de arduinoblocks.

• Área de archivos adjuntos del proyecto: De igual forma podemos adjuntar imágenes, hojas de datos o cualquier otro archivo relacionado con el proyecto.

• Guardar:  arduinoblocks guarda automáticamente el proyecto cada cierto tiempo. En caso de querer asegurarnos el guardado podemos pulsar el botón “Guardar”.  También podemos crear un nuevo proyecto a partir del actual pulsando la opción “Guardar como...”. Automáticamente se abrirá el nuevo proyecto creado a partir del primero

• Guardar proyecto para alumnos: Con esta opción generamos un proyecto de profesor a partir del actual, es decir un tipo de proyecto que el profesor plantea a los alumnos y puede supervisar y evaluar y al cual los alumnos se suscriben con un código. De esta forma podemos plantear proyectos a a los alumnos con bloques para que los alumnos los corrijan o los complenten, pues si iniciamos un nuevo proyecto como profesor siempre estará vacío.

• Exportar a archivo: La opción “Exportar a archivo” permite generar un archivo con toda la información del proyecto: bloques, información, archivos adjuntos, etc. De esta forma podemos enviar un proyecto por email, subirlo a un sitio web para su descarga, o como copia de seguridad del proyecto.

• Cambiar tipo de proyecto: Permite cambiar de tipo de proyecto (tipo de placa Arduino utilizada). Se podrá seleccionar un tipo de proyecto con una placa similar o más potente.

Tipos de proyectos entre los que se puede cambiar de placa:

I

IMPORTANTE: El cambio es irreversible en muchos casos,

por lo que se aconseja hacer una copia del proyecto antes del cambio.

• Importar desde archivo: Permite importar un nuevo proyecto desde un archivo exportado anteriormente desde la plataforma.

• Captura de pantalla: Mediante el botón con el icono de la cámara de fotos, podemos obtener una captura del área de bloques del proyecto en formato de imagen PNG. Esta función permite obtener la imagen de los bloques para documentar proyectos, prácticas, tutoriales, presentaciones, etc.

• Barra de información:  En la parte inferior derecha podemos obtener la información de guardado y algunos avisos que nos muestra la aplicación.

• Importar desde un proyecto compartido: Si accedemos a visualizar un proyecto compartido por otro usuario aparecerá un botón “importar a mis proyectos”, de esta forma podemos crear una copia del proyecto en mis proyectos personales para poder modificarlo a nuestro gusto.

• Herramientas y utilidades: Mediante este menú desplegable tenemos acceso a utilidades para crear símbolos para la pantalla LCD, generadores de bitmaps para OLED, Matriz de leds o Neopíxel, y muchas utilidades más.

• Estructura de un nuevo proyecto: Un proyecto Arduino tiene siempre dos estructuras importantes en su interior, esto se ve reflejado claramente al crear un nuevo proyecto en arduinoblocks.

1. Bloque “inicializar” o “setup”:

2. Bloque “bucle” o “loop”:

Cualquier bloque que no esté dentro del bloque de inicialización o de bucle y no forme parte de una función (ver apartado 3.2.6) será ignorado a la hora de generar el código.

Ejemplo:  Al iniciar se establece la variable a 0. Se envía y se incrementa cada segundo indefinidamente:

Ejemplo:  Al iniciar (o reset) se envía un mensaje por el puerto serie. El led conectado al pin 13 se ilumina, espera 500ms,  se apaga y espera otros 500ms (este ciclo ser repetirá indefinidamente).

Importante: El “bootloader” de Arduino normalmente tiene configurada la opción de resetear el microcontrolador cuando se inicia una conexión serie, por tanto si conectamos con la consola serie del PC hay que tener en cuenta que se reiniciará el programa y se ejecutará el bloque “inicializar

• Configuración de bloques: Algunos bloques permiten configurar o alterar su funcionamiento. Para desplegar las opciones posibles pinchamos sobre el icono superior izquierda del bloque con apariencia de rueda dentada:

La configuración se realiza arrastrando los modificadores del bloque de la parte izquierda a la parte derecha:

        En las mejoras del editor (noviembre 2021) algunos bloques permiten la configuración más sencilla con simples botones de + y -

• Comentarios:  Si necesitamos añadir un comentario a un bloque desplegamos las opciones del bloque pinchando con el botón derecho y añadimos un comentario pinchando en el icono del interrogante:

• Otras opciones de bloque (botón derecho sobre el bloque):

• Duplicar:  Crea una copia del bloque actual.
• Entradas en línea:  Modifica el aspecto del bloque de forma compacta o en línea.

• Contraer / expandir bloque: Reduce el tamaño del bloque para ahorrar espacio mientras no necesitamos editarlo.

• Desactivar bloque: El generador de código no tendrá en cuenta este bloque.

• Eliminar: Elimina el bloque.
• Ayuda: Abre un enlace con ayuda on información sobre el bloque. En algunos bloques la opción ayuda abrirá una aplicación específica, por ejempo en las pantallas en el bloque Bitmap de las pantallas OLED abrirá un editor de mapas de bits

• Ayuda contextual: Permite información rápida del bloque, por ejemplo en los sensores podemos obtener la referencia del módulo recomendado.

• Comprar este producto: Si el bloque corresponde a un sensor, actuador, periférico o cualquier dispositivo tenemos la opción de acceder directamente a la tienda online para obtener el componente y asegurarnos que es 100% compatible:

https://shop.innovadidactic.com

• Iconos del editor:

• Búsqueda de proyectos compartidos por otros usuarios: Indicando un parámetro de búsqueda podemos buscar proyectos compartidos por otro usuario y accede a visualizarlos

Filtro para buscar por tipos de proyectos:

1.3  AB - Connector

        arduinoblocks-Connector es una aplicación nativa que hace de puente entre la plataforma on-line arduinoblocks y el hardware Arduino.

        La aplicación arduinoblocks-Connector se encarga de recibir el código generado por arduinoblocks, compilarlo y subirlo a la placa Arduino, sin esta aplicación arduinoblocks funciona pero no puede subir el programa a la placa Arduino pues el navegador web no dispone de posibilidad de realizar estas funciones por sí sólo.

        arduinoblocks-Connector está disponible para los principales sistemas operativos. Accede al área de descargas de arduinoblocks.com para obtener la última versión y más información sobre el proceso de instalación y configuración.

http://www.arduinoblocks.com/web/site/abconnector

Windows, Linux (debian/ubuntu), macOS, RaspberryPi, ChromeOS

Ejemplo: ventana de la aplicación arduinoblocks-Connector en Windows y en Linux

arduinoblocks-Connector debe ejecutarse en el equipo donde está conectado Arduino físicamente (por conexión USB). La configuración normal es instalar arduinoblocks-Connector en el mismo equipo donde se trabaja con arduinoblocks.

        Podemos configurar la plataforma arduinoblocks para conectarse con la aplicación arduinoblocks-Connector en otro equipo.

Ejemplo: Arduino conectado por USB a una RaspberryPi con arduinoblocks-Connector instalado. La programación sería realizada desde una Tablet Android.  El programa se compila y sube a la placa Arduino de forma remota a través de la red local.

        Para programar remotamente un Arduino conectado a un ordenador en red con la aplicación arduinoblocks-Connector, debemos modificar el Host con la dirección IP del equipo en la red al que está conectado la placa Arduino (en lugar de localhost).

Ventana de configuración al arduinoblocks-Connector,

por defecto en el mismo equipo (localhost):

2  Hardware        

        La parte hardware del proyecto Arduino está formada por el conjunto de placas Arduino disponibles en el mercado o que tú mismo te puedes fabricar (Arduino es un proyecto totalmente abierto)

        Además de la placa Arduino para cualquier proyecto robótico o de automatización debemos añadir un conjunto de sensores y actuadores para realizar las funciones necesarias.

        Las conexiones entre sensores, actuadores y Arduino se pueden realizar mediante la ayuda de una placa de prototipos, de forma modular, o incluso con kits de conexión fácil (EasyPlug).        

        arduinoblocks no restringe al uso de ningún hardware en concreto, aunque con fines educativos y para facilitar el uso recomendamos el uso de componentes modulares o de fácil conexión para los más pequeños.

        arduinoblocks toma como referencia en sistemas modulares y fácil conexión los kits del fabricante Keyestudio por su calidad y facilidad, aunque se pueden utilizar otros fabricantes e incluso fabricarte tus propios sensores y actuadores a partir de los elementos electrónicos.

Ejemplo: Algunos Kits de Arduino modular y EasyPlug

Modular: http://shop.innovadidactic.com/index.php?id_category=87&controller=category

EasyPlug: http://shop.innovadidactic.com/index.php?id_category=86&controller=category

En caso de utilizar un sistema modular (por lo general es lo más recomendable para la mayoría de casos y entornos educativos), tendremos que conectar distintos sensores y actuadores a la placa Arduino por lo que tendremos que seguir usando en algunos casos la placa de prototipos para “ramificar” algunos pines como por ejemplo la alimentación de 5v o 3.3v o los pines de GND.

        Como alternativa a la placa de prototipos para el conexionado modular tenemos varias opciones:

• Sensor shield: Es una shield sin electrónica extra, sustituye a la protoboard facilitándonos pines extras de alimentación (5v y GND) junto a cada pin digital o analógico. Además nos facilita la conexión en los pines I2C o de comunicación serie. Esta shield se puede añadir a cualquier placa Arduino (existe para los distintos modelos más populares).

        La placa sensor shield agrupa los pines G (GND) , V (5v) , S (Señal del pin correspondiente)

        Por tanto si ampliamos, por ejemplo para el pin 7, tendriamos los pines:

        Internamente todos los pines G (GND) y V (5v) están interconectados entre ellos.

• Arduino con pines extras: Fabricantes como Keyestudio fabrican modelos de Arduino mejorados como éste, donde tenemos los pines normales (hembra) ya en la misma placa los pines extra de alimentación con los pines de señal (machos) además de la conexión I2C y serie. Es quizás la opción ideal que sirve como Arduino estándar, y en caso de necesitarlo equivale a un Arduino + Sensor shield todo en uno.

        Ejemplo del detalle de las conexiones “extras” para los pines D3 y A0.

Internamente todos los pines G (GND) y V (5v) están interconectados entre ellos.

Ejemplo de conexiones modulares en la placa ESP32 STEAMakers:

        Para cada pin tenemos las señales G (GND) , V (5v) y S (señal)

        Hub I2C integrado x5 con señales GND,V,SDA,SCL

Nomeclatura doble (Arduino + ESP32) :

Comparativa de conexionado con Arduino UNO (Led y sensor DHT11)

• Componentes electrónicos con protoboard: Permite conectar cualquier componente electrónico a Arduino sin soldar. Implica conocer el conexionado y funcionamiento detallado del componente y en la mayoría de casos componentes extras como resistencias, condensadores, etc. Este sistem requiere unos conocimientos más avanzados de electrónica.

• Módulos con protoboard: Permite fácilmente conectar módulos usando la protoboard para ramificar los pines de alimentación (5V y GND). También se puede combinar con el sistema anterior, mezclando módulos y componentes por separado en la misma protoboard.

• Módulos con sensor shield o Arduino con pines extra: Es el sistema más sencillo, cada pin viene acompañado de los pines de alimentación por lo que no necesitamos la protoboard para ramificar las conexiones. Los módulos unifican sus pines de forma sencilla: 5V (+), GND (-) y las señales de entrada o salida correspondientes. Existen placas para ramificar los pines i2c también si fuera necesario (hub i2c).

Kits Arduino modulares:

http://shop.innovadidactic.com/index.php?id_product=665&controller=product

http://shop.innovadidactic.com/index.php?id_product=666&controller=product

Kit EasyPlug + módulos con conexión RJ

http://shop.innovadidactic.com/index.php?id_product=578&controller=product

Se trata de una versión de Arduino personalizada con conectores RJ en vez de pines. Facilita la conexión y con la ayuda de colores evita equivocacioens. Un opción ideal para los más pequeños.

Al crear un nuevo proyecto en arduinoblocks podemos indicar el tipo de proyecto “EasyPlug”:

2.1  Conceptos básicos de electrónica

        A la hora de iniciar un proyecto de robótica debemos tener claras algunas nociones de electricidad y electrónica básicas. El propósito de este libro no es aprender estos conceptos sobre electrónica, por lo tanto se asumen unos conocimientos previos básicos de electricidad y electrónica.

         Vamos a hacer un breve repaso de los conceptos más importantes que debemos conocer:

        La corriente eléctrica se define como el movimiento de los electrones a través de un conductor, según el tipo de desplazamiento se define como corriente continua o alterna.

        En la corriente alterna los electrones cambian de dirección de movimiento 50 veces por segundo (en redes eléctricas como la de España de 50Hz, en otros países puede ser 60Hz). El movimiento descrito por los electrones es sinusoidal.

        En la corriente continua los electrones se desplazan siempre en la misma dirección. Arduino funciona con corriente continua.

        Las principales magnitudes físicas que debemos conocer son:

        Voltaje o tensión eléctrica: Energía acumulada por unidad de carga que hace que las cargas circulen por el circuito (genera una corriente). Se mide en voltios (V)

Intensidad: número de electrones que atraviesan la sección de un conductor por unidad de tiempo. Se mide en amperios (A)

        Resistencia: mide la oposición que ofrece un material al paso de corriente eléctrica. Se mide en Ohmios (Ω)

        Potencia: es la energía consumida o desprendida por un elemento en un momento determinado. Se mide en Watios (W)                 P = V · I

        Ley de Ohm: Es una sencilla fórmula matemática que relaciona estas tres magnitudes básicas entre sí.

        Circuito eléctrico:        Conjunto de elementos unidos de tal forma que permiten el paso de corriente eléctrica para conseguir algún efecto (luz, calor, movimiento, etc.)

2.2  La fuente de alimentación

        La placa Arduino necesita energía para funcionar, existen varias formas de alimentar la placa Arduino:

        -A través del conector USB: cuando conectamos al ordenador para programarlo o utilizando un “power bank” con conexión USB por ejemplo.

        -A través del conector de alimentación externa:  La fuente de alimentación conectada debe ofrecer un voltaje DC de 7 a 12v. Internamente la placa Arduino UNO regula la tensión a 5v.

-A través de los pines 5v o Vin:  A través del pin 5v podemos alimentar con una fuente de alimentación de 5v, o a través del pin Vin podemos alimentar de igual forma que con el conector externo con un voltaje de entre 7 a 12v, pues se ajutará a 5v con el regulador interno.

En el caso de alimentar desde USB o a través del conector externo, por los pines 3.3v , 5v, GND y Vin obtenemos la alimentación para circuitos auxiliares, sensores, shields, etc.:

• 3.3v proporciona una tensión de 3.3v y una corriente máxima de 50mA

• 5v proporciona una tensión de 5v y una corriente máxima de 300mA

• GND es el nivel 0v de referencia

• Vin proporciona la tensión de alimentación conectada al conector de alimentación (sin regular, igual a la tensión de la fuente de alimentación conectada)

Normalmente alimentaremos la placa Arduino a través del USB durante su programación desde el PC. Si la placa Arduino va a funcionar de forma autónoma sin interactuar con el PC podemos alimentarla desde una fuente de alimentación o con una batería a través del conector Jack (aplicar de 7 a 12v).

Ejemplo: Conexión recomendada de la tensión de alimentación a la placa de prototipos

Placa de prototipos o “breadboad”:  https://es.wikipedia.org/wiki/Placa_de_pruebas

2.3  Arduino: UNO y Nano

Arduino UNO es la placa Arduino más utilizada de todas las versiones existentes, Arduino Nano es muy similar a Arduino UNO en características pero en un formato más pequeño. Aqui se pueden ver dos modelos de la placa Arduino UNO y Arduino Nano:

http://shop.innovadidactic.com/index.php?id_product=690&controller=product

Especificaciones técnicas:

El tamaño de la memoria para programa de la placa Arduino UNO es de 32 KBytes.

La placa Arduino UNO dispone de múltiples pines de conexión en formato de conector hembra:

Los pines están agrupados por función o tipo:

• Pines de alimentación: Permiten obtener la tensión necesaria para alimentar sensores, actuadores u otros periféricos conectados a la placa Arduino

• Pines de entradas/salidas digitales: Los pines digitales permiten trabajar con dos estados (ON/OFF, Activado/Desactivado, 1/0). Los pines se pueden configurar como entrada o como salida según se necesite conectar un sensor o un actuador.

• Pines de salidas analógicas (PWM): Arduino no tiene salidas puramente analógicas, pero podemos imitar a una salida analógica mediante la técnica PWM (Pulse Width Modulation = Modulación en Anchura de Pulso).

Ejemplo: Gráficas del funcionamiento del PWM:

• Pines de entradas analógicas: Estos pines sólo se pueden utilizar como entradas. Las entradas analógicas leen un voltaje entre 0 y 5V y a través de un ADC (Analog to Digital Converter) obtienen un valor de 10 bits proporcional a la señal de entrada.

10 bits = 1024 valores (0 … 1023)

• Pines de comunicación serie: Estos pines conectan con la unidad serie (UART) interna del microprocesador de Arduino. Una conexión serie utiliza un pin para la señal de envío de datos (TX) otro para la recepción de datos (RX) y la señal GND.

Los pines 0,1 conectan con el puerto serie implementado en el hardware Arduino. En caso de necesidad se podrán implementar otras conexiones serie a través de otros pines digitales emulando el puerto serie con librerías software (por ejemplo para la conexión con el módulo Bluetooth HC-06 explicado más adelante)

        https://www.arduino.cc/en/Reference/SoftwareSerial

        (más información sobre la conexión serie: Apartado 2.6.1)

• Pines de comunicación I2C: El bus de comunicación I2C permite conectar redes de periféricos con una comunicación bidireccional entre Arduino y el periférico.

(más información sobre el bus I2C: Apartado 2.6.2)

• Pines de comunicación SPI: El bus de comunicación SPI  permite conectar redes de periféricos con una comunicación bidireccional entre Arduino y el periférico.

        (más información sobre bus SPI: Apartado 2.6.3)

Una de las ventajas de la placa Arduino es que incorpora un programa pregrabado en el microcontrolador. Este programa conocido como “bootloader” o cargador de arranque permite desde el principio reprogramar el microcontrolador de Arduino a través de su puerto USB sin necesidad de un programador externo ni el uso del sistema ICSP (In Circuit Serial Programming) utilizado en otros sistemas.

Otra ventaja evidente del sistema Arduino es el entorno de programación “Arduino IDE” sencillo ofrecido de forma totalmente libre y que facilita enormemente la programación de este tipo de microcontroladores para inexpertos.

        La clave del éxito de la plataforma Arduino es que es una plataforma totalmente abierta y existe una gran comunidad de colaboradores y desarrolladores. Un ejemplo de las aportaciones de la comunidad Arduino son las conocidas como “shields”, que son módulos de extensión apilables para Arduino con las que podemos añadir rápidamente funcionalidades a la placa Arduino.

Ejemplos de  “Shields” para  Arduino UNO:

http://shop.innovadidactic.com/index.php?id_category=93&controller=category

2.4  Arduino: Leonardo y ProMicro

Los modelos Arduino Nano y ProMicro son similares en características y tamaño a los modelos UNO y Nano respectivamente, la principal diferencia es que la comunicación USB para la programación y la comunicación con el PC está integrada en el mismo controlador. Gracias a esta característica estos modelos de Arduino además pueden emular el comportamiento de un dispostivio USB tipo HID (Human Interface Device), es decir, ser detectados por el PC y comportarse como un teclado o un ratón.

De esta forma es sencillo implementar periféricos HID para el control del PC o como forma de intercambiar información. Por ejemplo podemos implementar dispostivos para controlar el puntero del ratón y las pulsaciones de los botones o implementar un controlador de juegos enviando los códigos de teclas pulsadas como si de un teclado se tratara.

Más información sobre los bloques de programación de teclado y ratón

http://shop.innovadidactic.com/index.php?id_product=728&controller=product

2.5  Arduino: Mega

Arduino Mega implementa un número considerablemente mayor de pines de E/S tanto digitales como analógicos, además de varios puertos serie implementados por hardware (a parte del que se utiliza para comunicación USB y programación). Por otro lado tiene una mayor cantidad de memoria RAM y memoria FLASH para almacenar el programa.

Debemos elegir este tipo de Arduino cuando nuestro proyecto vaya a necesitar un número de entradas/salidas superior al Arduino UNO o en casos de realizar programas grandes donde la memoria de Arduino UNO pueda ser un problema. Otro aspecto importante a tener en cuenta es la posibilidad de utilizar varias conexiones serie (puertos serie) implementados por hardware en el propio microcontrolador. Mienstras que los Arduinos de gama inferior tienen un único puerto serie (compartido con la comunicación USB), Arduino MEGA tiene 4 puertos serie hardware.

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2.6  ESP8266: NodeMCU y WeMos

El microcontrolador ESP8266 es un microcontrolador de bajo coste con características tan interensantes como el WiFi integrado, una velocidad de reloj y una tamaño de memoria mucho mayores que los modelos de Arduino. El chip ESP8266 se utiliza como base para algunas placas de desarrollo como NodeMCU o WeMos (versión normal o mini). La comunidad Arduino desarrolló un “framework” compatible con Arduino para permitir progamar las placas basadas en el micrcontrolador ESP8266 de una forma similar a Arduino, de esta forma la mayoría de librerías se han podido reutilizar o adaptar fácilmente.

Una de las características en las que se diferencian de Arduino principalmente es que trabajan con un voltaje de 3.3v en vez de 5v, por lo que hay que llevar cuidado con ésto y en algún caso será necesario utilizar adaptadores de tensión 3.3v - 5v

Tienda: http://shop.innovadidactic.com/index.php?id_product=859&controller=product

2.7  ESP32

El microcontrolador ESP32 se puede considerar una alternativa al ESP8266 del mismo fabricante. Por práctimante el mismo precio tendremos un microcontrolador de alto rendimiento, con una gran versatilidad en todos sus pines (todos permiten uitlizarse como E/S, salidas PWM, entradas analógicas,...) Y lo más importante es que implementa tanto comunicación Bluetooth como WiFi en el chip sin necesidad de ningún hardware extra.

ESP32 Placa de desarrollo de keyestudio:

Shield recomendada para facilitar la conexión al ESP32:

https://shop.innovadidactic.com/es/standard-placas-shields-y-kits/929-keyestudio-esp32-wroom-32d-modulo-core-board-wi.html

2.7.1 ESP32 STEAMakers

        arduinoblocks junto a Innovadidactic y Keyestudio han desarrollado la placa ESP32 STEAMakers, una placa basada en el potente microcontrolador ESP32 con sensores integrados para la medición del consumo energético, una ranura para tarjeta microSD, y un formato Arduino con conexiones modulares para facilitar la conexión de sensores, actuadores y periféricos. Es una placa pensada especialmente para el mundo docente y maker que permite facilitar el uso del potente ESP32 sin necesidad de protoboard y simplificando el cableado. Además arduinoblocks ofrece un tipo de proyecto específico que nos permite aprovechar al máximo las funcionalidades de esta placa.

Videos con información y ejemplos de ESP32 STEAMakers:

https://www.youtube.com/watch?list=PL1pKD-Bz2QBAgfy580m8OaQ2Z60v6DOhC&v=MQjIEI7I4ik

2.8  Sensores

        Un sensor es un objeto capaz de detectar magnitudes físicas o químicas y transformarlas en variables eléctricas.

        Los sensores o periféricos de entrada nos permiten obtener información del mundo real para utilizarla desde el programa de Arduino.

 La interfaz de conexión de un sensor con Arduino lo podemos clasificar en tres tipos: digital, analógico o datos.

• Digital: un sensor digital sólo tiene dos estados: activado/desactivado, ON/OFF, 1/0, Alto/Bajo, … En este caso conectaremos el sensor a una de las entradas digitales de Arduino para leer el estado.

        Ejemplo:  un pulsador es un tipo de sensor sencillo que sólo nos da dos estados, “pulsado o no pulsado”. Conectado a la placa Arduino debe generar 0v en reposo y 5v al pulsarlo. De esta forma desde el programa de Arduino podremos leer el estado del botón.

Ejemplo: conexión de un sensor digital (pulsador):

Ejemplo: Conexión de un sensor digital de movimiento (PIR):

• Analógico: el sensor nos puede dar un rango de valores, normalmente se traduce en un valor de tensión o de corriente variable en función de la señal captada al sensor. En este caso conectaremos el sensor a una de las entradas analógicas de Arduino. El rango de entrada será una tensión entre 0v (GND) y 5v.

                Ejemplo: Conexión de un sensor potenciómetro al pin de entrada analógico A0:

• Datos: el sensor ofrece su información a través de una interfaz de comunicación. La forma de comunicación puede ser por sistemas estándar como I2C o SPI (ver apartado 2.6 sobre buses de comunicación) o algunos sensores usan su propio protocolo para codificar la información y debemos realizar desde el software la decodificación correcta para interpretar los datos del sensor (normalmente los desarrolladores de este tipo de sensores ofrecen una librería software para Arduino que hace todo el trabajo)

Ejemplo: Trama de datos recibida desde el sensor DHT11

Algunos módulos de sensores utilizados con Arduino:

http://shop.innovadidactic.com/index.php?id_category=87&controller=category

2.9  Actuadores

Un actuador es un dispositivo capaz de transformar la energía eléctrica en la activación de un proceso con la finalidad de generar un efecto sobre elementos externos.

Un actuador o periférico de salida permite actuar sobre el mundo real desde el programa de Arduino.

Algunos módulos de actuadores utilizados con Arduino:

http://shop.innovadidactic.com/index.php?id_category=87&controller=category

2.10  Comunicaciones

        La placa Arduino permite múltiples vías de comunicación con el exterior, por un lado disponemos del bus I2C o del SPI pensado para periféricos externos o sensores mientras que como vía de comunicación principal para la programación o monitorización tenemos la conocida como conexión serie (puerto serie) a través del conector USB.

2.10.1  Comunicación serie

        El microcontrolador Atmel de Arduino dispone de un controlador de comunicación serie (UART) integrado. La comunicación se realiza de forma bidireccional, utilizando un pin para transmitir los datos y otro para recibir.

        Es muy importante tener en cuenta que este puerto serie es el que se utiliza para “subir” el firmware y reprogramar la placa Arduino desde un ordenador (bootloader).

        Las primeras placas Arduino disponían de un conector de puerto serie tipo DB9 de 9 pines utilizado antiguamente para este tipo de conexiones. Hoy en día se utiliza un chip de conversión serie a USB que permite emular en el equipo un puerto serie estándar.

        Durante el uso normal podemos utilizarlo como vía de comunicación sencilla entre el microcontrolador y el un PC.

        Arduino UNO sólo dispone de un puerto serie hardware aunque podemos emular más puertos serie vía software. La conexión serie es utilizada por algunos periféricos o sensores para interactuar con Arduino:

        Para poder desde un ordenador visualizar los datos recibidos vía puerto serie debemos utilizar una aplicación de tipo “terminal” o “consola” serie:

Realterm -  consola serie para Windows:

Arduino IDE - serial monitor:

arduinoblocks – consola serie

(Se necesita instalar la aplicación arduinoblocks-Connector)

A la hora de establecer una conexión serie los dos extremos que intervienen en la conexión (en este caso Arduino y el PC) deben establecer el mismo valor en la velocidad de la conexión.

Velocidad en baudios por defecto: 9600 bits por segundo

Otras velocidades utilizadas: 4800, 19200, 38400, 57600, 115200,

SerialPlotter

Otra funcionalidad relacionada con la comunicación serie es el “Serial Plotter” que nos permite enviar información desde Arduino al PC y visualizarla en forma de gráfica en tiempo real. Además el “Serial Plotter” implementa un sencillo datalogger con el que podemos ir grabando los datos para exportarlos posteriormente en formato CSV (Excel, Calc,...)

Ejemplo de uso del serial plotter:

La función de datalogger (registro de datos) la podemos activar desde el panel superior derecho y veremos un icono de un comecocos “comiendo” datos mientras estamos recopilando los datos para su posterior exportación:

Si superamos el número de datos máximo especificado, se sobreescribirán los datos más antiguos. Cuando paremos la recogida de datos podremos descargar los archivo de datos CSV, uno por cada serie de datos recogida (un archivo por cada variable que representemos en la gráfica)

Ejemplo de procesamiento de los datos exportados en CSV en una aplicación externa (LibreOffice Calc):

2.10.2  Comunicación I2C / TWI

        El bus I2C (I²C o TWI) es un bus de datos seire desarrollado por Philips.

        Se utiliza principalmente internamente para la comunicación entre diferentes partes de un circuito, por ejemplo, entre un controlador y circuitos periféricos integrados.

Atmel introdujo por motivos de licencia la designación TWI (Two-Wired-Interface) actualmente utilizada por algunos otros fabricantes. Desde el punto de vista técnico, TWI e I2C son idénticos.

El I2C está diseñado como un bus maestro-esclavo. La transferencia de datos es siempre inicializada por un maestro; el esclavo reacciona. Es posible tener varios maestros (Multimaster-Mode). En el modo multimaestro pueden comunicar dos maestros entre ellos mismos, de modo que uno de ellos trabaja como esclavo. El arbitraje (control de acceso en el bus) se rige por las especificaciones, de este modo los maestros pueden ir turnándose.

La dirección de I2C estándar es el primer byte enviado por el maestro, aunque los primeros 7 bits representan la dirección y el octavo bit (R/W-Bit) es el que comunica al esclavo si debe recibir datos del maestro (low/bajo) o enviar datos al maestro (high/alto). Por lo tanto, I2C utiliza un espacio de direccionamiento de 7 bits, lo cual permite hasta 112 nodos en un bus (16 de las 128 direcciones posibles están reservadas para fines especiales).

Cada uno de los circuitos integrados con capacidad de soportar un I2C tiene una dirección predeterminada por el fabricante, de la cual los últimos tres bits (subdirección) pueden ser fijados por tres pines de control. En este caso, pueden funcionar en un I2C hasta 8 circuitos integrados. Si no es así, los circuitos integrales (que precisan ser idénticos) deben ser controlados por varios buses I2C separados.

La conexión I2C en Arduino UNO se realiza en los pines:

SDA:         Pin A4   /     SCL: Pin A5

Ejemplo: conexión de módulo I2C para control de pantalla LCD:

2.10.3  Comunicación SPI

El Bus SPI (del inglés Serial Peripheral Interface) es un estándar de comunicaciones, usado principalmente para la transferencia de información entre circuitos integrados en equipos electrónicos. El bus de interfaz de periféricos serie o bus SPI es un estándar para controlar casi cualquier dispositivo electrónico digital que acepte un flujo de bits serie regulado por un reloj (comunicación sincrónica).

        Incluye una línea de reloj, dato entrante, dato saliente y un pin de Chip Select, que conecta o desconecta la operación del dispositivo con el que uno desea comunicarse. De esta forma, este estándar permite multiplexar las líneas de reloj.

La sincronización y la transmisión de datos se realiza por medio de 4 señales:

• SCLK (Clock): Es el pulso que marca la sincronización. Con cada pulso de este reloj, se lee o se envía un bit. También llamado TAKT (en Alemán).
• MOSI (Master Output Slave Input): Salida de datos del Master y entrada de datos al Slave. También llamada SIMO.
• MISO (Master Input Slave Output): Salida de datos del Slave y entrada al Master. También conocida por SOMI.
• SS/CS/Select: Para seleccionar un Slave, o para que el Master le diga al Slave que se active. También llamada SSTE.

Algunos periféricos SPI:

La conexión SPI  en Arduino UNO se realiza en los pines:

MOSI: Pin 11

MISO: Pin 12

SCLK: Pin 13

SS/CS:  Depende de la programación, puede usarse cualquier pin.

Ejemplo:  conexión de módulo para tarjetas SD (el pin SS está conectado al pin 4):

2.10.4  Comunicación Ethernet

        La conexión Ethernet nos permite la conexión a la red (normalmente para acceder a internet) a través de un cable Ethernet, conectado a nuestro routero o switch.  Esta conexión se caracteriza por usar el conector RJ45 y es una forma sencilla de conectar nuestro Arduino a la red.

        Para añadir la conectividad lo más sencillo es usar una Shield Ethernet w5100.

http://shop.innovadidactic.com/index.php?id_product=679&controller=product

Para más información consultar el uso de los bloques MQTT para intercambio de información a través de conexiones IP con conexión Ethernet o WiFi.

2.10.5  Comunicación WiFi

        Otra forma de conectar a la red por la que podemos optar con Arduino es mediante una conexión inalámbrica WiFi. Sin embargo las shields WiFi a parte de tener un precio bastante alto (comparado con el precio habitual de los componentes Arduino) la mayoría han sido descatalogadas en favor de placas con WiFi integrado.

Una opción sencilla y económica para la conexión de cualquier modelo Arduino a internet a través de WiFi es usar un ESP-01 (placa basada en el chip ESP8266) como periférico WiFi a través de una conexión serie, es decir, usando dos pines (RX,TX).

El periférico ESP-01 necesita un sencillo adaptador para ajustar los niveles de voltaje en la comunicación:

El módulo ESP-01 comunica con protocolo serie y por defecto trabaja a una velocidad de 115200 bps, por lo que sólo funcionaría correctamente conectándolo a un puerto serie hardware de Arduino (en otros pines se usaría una comunicación serie emulada por software a un máximo de velocidad de 57600 bps).

        Por tanto a velocidad de 115200 bps , en Arduino UNO solo podemos usar el periférico ESP-01 en los pines:

IMPORTANTE: a la hora de programar la placa Arduino a través del USB debemos desconectar (al menos la alimentación) del periférico ESP-01 porque interferirá en el proceso de programación que utiliza también los pines 0,1

        En Arduino Mega, disponemos de varios puertos serie hardware por lo que podemos dejar libre los pines 0,1 para no interferir en la progrmación USB, y utilizar cualquiera de los otros puertos implementados en la placa.

Puertos serie en Arduino MEGA:

        En las placas basadas en ESP8266, como el NodeMCU o WeMos, no necesitamos añadir ningún periférico extra para la conexión pues el propio microcontrolador implementa la conexión WiFi.

        De igual forma que con la conexión Ethernet, la conexión a la red por cable o WiFi nos permite utilizar los bloques MQTT para intercambiar información a través de la red o internet.

        Si utilizamos dispositivos con WiFi integrado (ESP8266 o ESP32) no tendremos que configurar ningún módulo externo para utilizar la conectividad WiFi desde los bloques MQTT o Blynk:

NodeMCU (ESP8266) con WiFi incorporado:

https://shop.innovadidactic.com/es/standard-placas-shields-y-kits/1458-keyestudio-esp8266-shield-wi-fi-con-cable-microusb.html

ESP32 con WiFi incorporado:

https://shop.innovadidactic.com/es/standard-placas-shields-y-kits/929-keyestudio-esp32-wroom-32d-modulo-core-board-wi.html

Conectividad WiFi + Bluetooth integrada en ESP32 STEAMakers

        El microcontrolador ESP32 incorpora WiFi y Bluetooth sin necesidad de ningún módulo extra. Además la conexión Bluetooth permite el protocolo HID para simular un ratón o teclado Bluetooth.

        El protocolo WiFi-Mesh permite comunicar placas ESP32 STEAMakers entre ella de forma descentralizada y sin necesidad de un punto de acceso WiFi previo.

3  Software

        Una vez tenemos definido el hardware necesario para un proyecto el siguiente paso es programar el microcontrolador de la placa Arduino para que realice las tares necesarias para el funcionamiento deseado.

        La programación de la placa Arduino se realiza normalmente en lenguaje C++  desde el entorno Arduino IDE. Para programar debemos conocer primero este lenguaje, lo cual supone mucho tiempo del que muchas veces no disponemos.

        En los últimos años han aparecido entornos mucho más sencillos e intuitivos para desarrollar aplicaciones que nos permiten introducirnos de forma práctica y sencilla en el mundo de la programación. Es el caso de Scratch, un entorno de desarrollo de videojuegos multiplataforma, y AppInventor, un entorno de desarrollo de aplicaciones para dispositivos móviles Android.

        arduinoblocks, al igual, es un entorno online que nos permite programar Arduino (sin necesidad de conocer el lenguaje de programación C++) de forma visual al estilo de programación de bloques.

        arduinoblocks implementa bloques generales comunes a cualquier entorno de programación y por otro lado bloques específicos para Arduino donde podemos acceder a leer/escribir datos de los pines de entrada/salida, acceder a información de sensores conectados, manejar actuadores, periféricos como la pantalla LCD y muchas funcionalidades más.

        Programa de ejemplo generado automáticamente en modo “prueba”

3.1  Algoritmos

        Un algoritmo es un conjunto prescrito de instrucciones o reglas bien definidas, ordenadas y finitas que permite realizar una actividad mediante pasos sucesivos que no generen dudas a quien deba realizar dicha actividad.

        A la hora de programar en cualquier lenguaje de programación lo primero que tenemos que hacer es plantear el algoritmo que queremos desarrollar y posteriormente implementarlo en el lenguaje de programación elegido.

        A pesar de que la programación por bloques es muy intuitiva y visual, siempre es recomendable plantear el algoritmo antes de empezar un proyecto.

        La definición previa del algoritmo nos permitirá agilizar el proceso de creación del programa.  

        Simbología básica para la definición gráfica de un algoritmo:

3.2  Bloques de uso general

Los bloques de uso general nos permiten implementar funciones comunes en cualquier entorno o sistema programable. Esto incluye funciones lógicas, matemáticas, condiciones, bucles, funciones de texto, etc.

3.2.1  Lógica

        Con estos bloques tenemos acceso a las funciones lógicas necesarias para implementar en nuestro programa de Arduino.

        Las funciones lógicas trabajan con valores o expresiones de “verdadero” o “falso”

• Condición / decisión: Evalúa una condición lógica, si se cumple realiza el bloque “hacer” si no se cumple realiza el bloque “sino” (opcional)

Ejemplo de comparaciones:

• Evaluar condición (númerica): Devuelve verdadero o falso según si la condición indicada se cumple entre los dos operandos (numéricos).

Ejemplo: Comparción numérica “mayor o igual que”

• Evaluar condición (booleana): Devuelve verdadero o falso según si la condición indicada se cumple entre los dos operandos booleanos (de verdadero o falso).

• Conjunción/Disyunción (AND): Evalúa dos expresiones lógicas y devuelve verdadero o falso según la función lógica seleccionada.

Ejemplo: condición lógica “y” (AND)

• Negación: Permite negar (invertir) un valor lógico de verdadero o falso.

Ejemplo: negación de un detector para saber cuando “no” hay movimiento

• Constantes lógicas: son valores booleanos indicando uno de los dos estados posibles

3.2.2  Control

        Las estructuras de control nos permiten realizar bucles e iteraciones.

• Repetir: Repite (n) veces los bloques de su interior.

• Repetir según condición: Repite mientras o hasta que se cumpla una condición.

• Contar:  Realiza un bucle contando con un variable índice. Se define un valor de inicio, una valor de fin y los incrementos que se realizarán en cada iteración del bucle. Dentro del bucle podremos usar esta variable.

Ejemplo:

3.2.3  Matemáticas

• Constante numérica: Permite especificar un valor numérico entero o decimal

• Número entero / sin signo: Trata el valor como un entero. Si especificamos sin signo, trata el valor como una variable sin signo internamente.

Para las variables arduinoblocks utiliza el tipo de dato “double” cuando traduce el programa a lenguaje C++. En caso de hacer la conversión se trata como un “cast” a un tipo de datos “long” o “unsigned long”

• Ángulo: Permite definir un valor de ángulo en grados. Es un valor numérico tal cual, pero con la ventaja que permite definir el valor de una forma visual viendo el ángulo gráficamente.

• Operaciones básicas:

• Sumar a variable: Aumenta o disminuye el valor de una variable por el valor indicado (si es un valor positivo aumenta si es negativo disminuye)

• Funciones matemáticas:

• Atan2: Calcula la arco-tangente de y/x, siendo y el primer parámetro y x el segundo.

• Mapear: Permite modificar el rango de un valor o variable desde un rango origen a un rango destino.  Esta función es especialmente útil para adaptar los valores leídos de sensores o para adaptar valores a aplicar en un actuador.

• Limitar: Permite acotar el valor mínimo y máximo.

• Número aleatorio: Genera un valor aleatorio entre los valores especificados.

• Resto: Obtiene el resto de la división de los dos operandos.

• es NaN?: Permite detectar si el valor almacenado en una variable u obtenido de un sensor o cualquier otro bloques es NaN (Not a Number), es decir si no es un número válido. Este caso puede surgir en algunos sensores que devuelven este valor ante algún error, o en caso de una operación matemática no válida..

Ejemplo de uso de “es NaN”:

3.2.4  Texto

Las funciones de texto son especialmente útiles con la utilización en el puerto serie (consola), y otros periféricos como pantallas LCD. Permiten trabajar con variables de tipo texto o con textos prefijados.

• Constante de texto: Define un texto de forma estática.

• Formatear número: Obtiene en forma de texto el valor de una variable o constante numérica en el formato especificado.

Ejemplo:

• Formatear número con decimales: Realiza la conversión de una variable o constante numérica a texto igual que el bloque anterior pero pudiendo indicar el número de decimales a mostrar.

Ejemplo: enviar por la consola el valor de una variable como texto

 formateado con 6 y 1 decimales respectivamente:

• Crear texto con: Crea un texto a partir de la unión de otros textos o variables. Las variables especificadas se convertirán a texto con formato decimal.

Ejemplo:

• Longitud : Obtiene el número de caracteres del texto.

• Comparación de textos: Permite comparar dos cadenas de texto. El resultado es un valor lógico de verdadero o falso.

Ejemplo: comparación de texto y variables de tipo texto

• Contiene el texto: Comprueba si existe un texto dentro del texto indicado. Devuelve verdadero si existe y falso en caso contrario.

Ejemplo:

• Buscar en el texto: Busca la posición de un texto dentro de otro texto. Si el texto buscado no se encuentra devuelve el valor 0, en otro caso devuelve la posición donde empieza el texto.

Ejemplo:

• Partir  texto: Obtiene una parte del texto, indicando la posición de inicio y fin dentro del texto para crear la subcadena.

Ejemplo:

• Reemplazar en texto: Reemplaza todas las ocurrencias del texto indicado por el nuevo dentro de la variable de texto seleccionada.

Ejemplo:

• Valor ASCII:  Obtiene un valor numérico correspondiente al valor de la tabla ASCII del caracter correspondiente. Este bloque es útil para detectar pulsaciones de teclas que son enviadas por comunicación serie, bluetooth, etc. como bytes independientes.

        Tabla ASCII de los caracteres imprimibles:

• Crear texto CSV:  Permite crea un texto en formato CSV concatenando los diferentes elementos y añadiendo un separador entre ellos (seleccionable entre “,” “;” y tabulador). Este bloque es especialmente útil para generar un texto con varios valores para almacenar en un archivo en una tarjeta microSD y posteriormente abrir con una hoja de cálculo.

Ejemplo: unir varios datos de variables en formato CSV

3.2.5  Variables

        Una variable es un hueco en la memoria donde el programa puede almacenar valores numéricos. El sistema nos permiten asignarles un nombre simbólico como por ejemplo “temperatura exterior”, “velocidad”, “posición servo 1”,”estado”,… para facilitar su uso.

        Hay tres tipos de variables en arduinoblocks: numéricas, booleanas y de texto.

• Variables numéricas: permite valores numéricos enteros o con decimales, internamente se representan con el tipo de datos “doublé” a la hora de generar el código para Arduino. Este tipo utiliza 4 bytes y permite almacenar valores en el rango: -3.4028235E+38  a  3.4028235E+38

• Variables de texto: permite almacenar valores de texto. Internamente utiliza el tipo de dato “String” a la hora de generar el código para Arduino.

Ejemplo:

Ejemplo:

• Variables booleanas: permite almacenar valores lógicos booleanos de dos estados (verdadero/falso, ON/OFF, HIGH/LOW, …)

Ejemplo:

Ejemplo:

3.2.6  Listas

        Las listas de datos nos permiten almacenar un listado de valores y acceder a ellos por su posición en la lista. Las listas pueden ser de tipo numéricas o de texto.

• Listas numéricas:

Podemos crear una lista asignándole un nombre a la lista y asignándole valores iniciales.

Ejemplo:

Para saber el número de elementos que tenemos en una lista podemos usar el bloque:

En una lista podemos obtener el valor de una posición (desde la 0 hasta el número de elementos -1 en la lista) con el bloque, por ejemplo si tenemos 10 elementos podremos acceder a ellos desde el 0 al 9:

O cambiar el valor de un elemento indicando su posición y el nuevo valor:

Ejemplo:

Posicionamiento de un motor (servo) en distintas posiciones (grados) prefijados en una lista.

• Listas de textos:

Podemos crear una lista asignándole un nombre a la lista y asignándole valores iniciales.

Ejemplo:

Para saber el número de elementos que tenemos en una lista podemos usar el bloque:

En una lista podemos obtener el valor de una posición (desde la 1 hasta el número de elementos en la lista) con el bloque:

O cambiar el valor de un elemento indicando su posición y el nuevo valor:

Ejemplo: Mostrar saludos en distintos idiomas a partir de una lista

3.2.7  Funciones

        Las funciones permiten agrupar bloques de código. Esto es útil cuando un bloque de código se repite en varias partes del programa y así evitamos escribirlo varias veces o cuando queremos dividir el código de nuestro programa en bloques funcionales para realizar un programa más entendible.

• Definición de una función: La definición consiste en crear el grupo donde podremos insertar el código de bloques que forma la función. Debemos darle un nombre representativo que utilizaremos para llamar a esa función y ejecutarla.

• Parámetros: A las funciones se les pueden añadir parámetros para especificar en la llamada.

• Llamada a una función: Permite llamar a la ejecución de la función, se ejecutarán los bloques internos de la función y al terminar se seguirá la ejecución por donde se había realizado la llamada a la función.

Ejemplo: Función para calcular el área de un triángulo

Ejemplo: Función para enviar información por la consola

Ejemplo: Función para calcular la longitud de una circunferencia

Ejemplo: División en partes funcionales de un programa real.

3.3  Bloques Arduino

En el siguiente apartado veremos los bloques relacionados con funciones propias de la placa Arduino. Estos bloques nos permitirán acceder a funcionalidades del propio microcontrolador y otros estarán orientados a sensores, actuadores o periféricos que podemos conectar a la placa Arduino para desarrollar nuestros proyectos.

3.3.1  Entrada/Salida

Las funciones de entrada/salida genéricas nos permiten leer o escribir en los pines digitales y analógicos de la placa Arduino descritos en el apartado 2.3.

• Leer pin digital: Obtiene el valor digital del pin (0/1, ON/OFF, verdadero/falso). (Recuerda para leer un ON/1 debemos aplicar 5v en la entrada digital y 0v para leer un OFF/0)

Ejemplo:

• Escribir pin digital: Escribe el valor en un pin digital pin (0/1, ON/OFF, verdadero/falso).

 (Si se activa, la salida suministrará 5v en caso contrario 0v)

Ejemplo:

Versión equivalente:

• Leer pin analógico: Lee el valor de una entrada analógica.

El conversor interno DAC (Digital Analog Converter) es de 10 bits por lo que los valores leídos de una entrada analógica van de 0 a 1023

10 bits = 2 ^ 10 =  1024 posibles valores

Ejemplo:

• Escribir pin analógico: Establece el valor del ciclo de pulsos activo/inactivo  de una salida digital PWM.  El valor debe estar en el rango entre 0 y 255.

• Leer pulso: Lee un pulso en un pin hasta que el valor de la entrada cambie a estado alto (ON) o bajo (OFF). Mide la duración del pulso en microsegundos. Si se supera el tiempo de espera indicado sin cambiar de estado devolverá el valor 0.

• Interrupción externa: permite ejecutar un bloque de código cuando se produce una interrupción externa indicando el tipo de “trigger” que produce el evento:

Los bloques dentro de una interrupción externa no deben utilizar mucho tiempo del microcontrolador, deben realizar tareas sencilla y no bloquear durante mucho tiempo (en ningún caso usar bloques “esperar” , …)

• Leer/Escribir en E/S digitales externas (extensor I2C): En caso de necesitar más pines de E/S digital podemos utilizar un extensor con conexión I2C para ampliar de 8 en 8 el número de E/S digitales (hasta 64)

• Escribir analógica PWM (PCA9685): Si necesitamos ampliar salidas de tipo PWM para control de intensida, servos, etc… podemos usar el extensor PCA9695 ampliando de 8 en 8 el número de salidas PWM disponibles. Una opción interesante, por ejemplo, para proyectos con un gran número de servos.

Placa de expansión de salidas PWM:

https://shop.innovadidactic.com/es/standard-placas-shields-y-kits/657-keyestudio-driver-para-servo-de-16-canales-con-int.html

3.3.2  Tiempo

Las funciones de tiempo o retardo nos permiten realizar pausas y obtener información sobre el tiempo transcurrido dentro del microcontrolador.

• Esperar: Realiza una pausa (bloquea la ejecución del programa) hasta seguir con la ejecución del siguiente bloque.

• Tiempo transcurrido: Obtiene un valor con el tiempo transcurrido desde el inicio o reset del microcontrolador de la placa Arduino. El valor puede ser en milisegundos o microsegundos.

Ejemplo : Ejecutar la Tarea1 cada 3 segundos y la Tarea2 cada 7 segundos sin bloquear la ejecución del programa:

• Esperar por siempre: Bloquea indefinidamente la ejecución finalizando por tanto el programa.

• Ejecutar cada: Bloque que implementa automáticamente la función de tareas explicada anteriormente.

IMPORTANTE: Este bloque NO bloquea la ejecución del programa

Ejemplo: Ejecuta los bloques en su interior si el tiempo transcurrido desde la última ejecución es mayor o igual a 1000 ms

Programa equivalente:

Cuando necesitemos realizar distintas tareas periódicas y que parezca que se ejecuten paralelamente sin bloquearse unas a otras utilizaremos este tipo de bloque “ejecutar cada”.

Si en el programa utilizamos bloques como por ejemplo el GPS (Apdo. 3.3.12) obligatoriamente debemos evitar los bloques de “esperar” si queremos que el programa funcione correctamente. Consultar Anexo I para ver los bloques incompatibles con bloques tipo “esperar”

Ejemplo: tareas simultáneas con distintos periodos de ejecución

La precisión de la ejecución de tareas de esta forma depende del tiempo que emplea cada tarea, si una tarea “tarda” mucho bloqueará y “retrasará” al resto.  Para un funcionamiento correcto cada tarea debe ejecutarse en el menor tiempo posible y no usar nunca bloques de tipo esperar o realizar bucles de indeterminada duración que puedan quedarse en ejecución por tiempo indefinido.

• Cronómetro: Permite obtener el tiempo transcurrido en ms o s, y es fácilmente puesto  a 0 con el bloque reiniciar.

Ejemplo: Juego en el que tenemo que pulsar un botón periódicamente sin dejar que pase nunca más de 10s entre pulsaciones, en caso contrario se ilumina un led indicando que hemos perdido

• Dormir: Este bloque pone la placa Arduino en modo bajo consumo durante unos milisegundos.

3.3.2.1  Multi-Tarea

        arduinoblocks nos permite utilizar una capa para implementar un sistema multitarea avanzado basado en FreeRTOS. Este sistema permite crear tareas que se ejecutarán de forma paralela (virtualmente). En microcontroladores modestos como el Arduino UNO, Nano o incluso MEGA la multitarea con FreeRTOS es bastante limitada y consume gran parte de los recursos de nuestro Arduino, en caso de necesitar de un sistema multitarea más potente podemos optar por usarlo en placas basadas en ESP8266 o ESP32 con mucha más potencia y recursos (especialmente el ESP32 con doble núcleo y gran potencia de procesamiento y memoria interna)

        Los sistemas software de multitarea utilizan un planificador (scheduler) que se encarga de repartir el tiempo de procesamiento entre las distintas tareas, de forma que a cada una le toca un tiempo de microcontrolador para ejecutar un poquito de su parte de programa.

        Esquema con 3 tareas que se van alternando, y en apariencia parece que las 3 se ejecutan a la vez, en este caso el tiempo de procesador se divide igual para cada tarea:

Los planificadores de multitarea permiten además asignar a cada tarea una prioridad, para así darle preferencia a las tareas más críticas o que necesitan más tiempo de procesamiento. Si creamos muchas tareas con “alta” prioridad puede que afectemos a las demás dejando poco tiempo de procesamiento para ellas…

Esquema de varias tareas con distintas prioridades, variando así su tiempo de microprocesador asignado:

Cada tarea tiene su propio espacio de memoria, por lo que crear demasiadas tareas también puede dejarnos el procesador sin memoria. Si la memoria asignada a las tareas tampoco es suficiente para almacenar los datos se podría reiniciar de forma inesperada el Arduino, o funcionar incorrectamente… como siempre, hay que ser consciente de los limitados recursos de los que disponemos.

        Con esta introducción teórica a la multitarea, debemos hacernso otra pregunta… ¿Qué pasa si una tarea accede a un recurso o variable, y el sistema multitarea le da el control a otra tarea y por tanto ese proceso falla o quizás otra tarea acceda al mismo recurso y se solapen?

        Para ese problema de convivencia entre tareas se inventaron los “semáforos”, en concreto el que más nos interesa es el semáforo “mutex” o de exclusión mutua, que permite que bloqueemos el sistema multitarea, hagamos lo que tengamos que hacer crítico, y luego liberemos el control. Por supuesto estas tareas críticas deben ser lo más cortas y atómicas posibles: una escritura crítica en una variable, un envío de un dato, una actualización de una pantalla LCD,... siempre cosas simples. Los semáforos debemos usarlos en casos que tengamos claro que se pueden crear conflictos, pues su abuso puede hacer que el sistema multitarea empiece a fallar.

Esquema de acceso a un mismo recurso por parte de 2 tareas diferentes:

        Y por último, pero no menos importante ¿Qué pasa con los bloques tipo “esperar” que estaban tan prohibidos en la programación de Arduino cuando queríamos simular una multitarea antes de tener estos bloques? Pues seguimos teníendoles bastante tirria. Aunque en teoría podríamos usarlos, un bloque esperar hace pensar al microcontrolador que está haciendo algo útil, cuando en realidad no es así, por lo que el sistema multitarea querrá asignarle tiempo de procesamiento a la tarea, aunque sea para eso… ¡para no hacer nada!

Tenemos una solución, tenemos un nuevo bloque de esperar “task friendly” que en lugar de esperar sin hacer nada le dice al sistema: ¡voy a estar un rato sin hacer nada, permite ejecutar otras tareas mientras y luego vuelves!  ….Mucho más “friendly”, claro que sí.

Bloques

Con toda esta información pasamos a ver los bloques disponibles para poner todo ésto en marcha  y después algunos ejemplos:

Ejemplo 1: Parpadear varios leds a distintas velocidades

Ejemplo 2: Parpadear led + Mover servo

Ejemplo 3: Melodía RTTTL + Pantalla LCD + Sensor de luz LDR

Tarea 1: Muestra el valor de la LDR en la LCD y el nombre de la canción que suena.

Tarea 2: Va reproduciendo distintas canciones y actualiza el nombre en la variable.

3.3.3  Puerto serie

        La comunicación vía puerto serie es muy utilizada. Es una vía de comunicación bidireccional sencilla que nos permite enviar información desde Arduino que visualizaremos en la consola o al contrario, enviar información desde la consola que recibiremos en el Arduino.

        En muchas ocasiones simplemente se utiliza como una forma de depurar o mostrar información para saber si nuestro programa dentro del microcontrolador de Arduino está funcionando bien, en otros casos se puede utilizar de una forma más compleja sirviendo de vía de comunicación con aplicaciones en un PC, con periféricos como un GPS o comunicando con otros sistemas o por qué no, con otra placa Arduino.

        En arduinoblocks tenemos acceso a la consola via web (con arduinoblocks-Connector  instalado) aunque podemos utilizar si lo preferimos cualquier aplicación de consola o terminal serie compatible con nuestro sistema.

La funcionalidad de “Serial Plotter” nos permite graficar y registrar datos de forma muy visual y sencilla:

• Iniciar: Configura la velocidad de la comunicación serie. Este valor debe ser igual en la consola y en el programa Arduino para establecer una comunicación correcta. Por defecto, y si no se pone nada, la velocidad es 9600bps.

• Enviar: Escribe un valor de texto o el valor de una variable en el puerto serie. La opción “Salto de línea” permite añadir o no un retorno de carro al final del envío para bajar de línea.

• Enviar byte: Envía un valor numérico como un byte (8 bits). Por tanto el valor debe estar comprendido entre 0 y 255.

• ¿Datos recibidos?: Obtiene un valor de verdadero si hay datos recibidos pendientes de procesar o falso si no se ha recibido nada por la conexión serie.

• Recibir texto: Lee una cadena de texto recibida por el puerto serie. Si se indica la opción “hasta salto de línea” en cuanto se encuentra un salto de línea devuelve el texto recibido. Si no, hasta que se dejen de recibir datos.

• Recibir byte: Leer un byte (8 bits) del puerto serie

Ejemplo: Activar el pin correspondiente al byte recibido

• Recibir como número: Leer una cadena de texto recibida por el puerto serie e intenta interpretarla como un número (analiza la cadena de texto buscando un formato numérico válido)        

Ejemplo: Recibe un número enviado como texto desde la consola. Interpreta el número. Si es “1” activa el pin 13 , si es “2” apaga el pin 13:

• Fijar timeout: Establece el tiempo máximo de  espera en la recepción de datos (valor en milisegundos).

• Evento serie (interrupción): Ejecuta los bloques en su interior al recibir un evento del puerto serie, como por ejemplo la recepción de datos nuevos. De esta forma no tenemos que estar haciendo la comprobación continua en el bucle principal para recibir datos.

Ejemplo: recibir datos y devolverlos (eco) mediante el evento serie:

• Serial Plotter (gráfica y datalogger): Permite enviar valores desde Arduino al PC con el formato correcto para visualizarlos en el “Serial Plotter” de Arduinoblocks.

        El formato interno de los datos entre Arduino y el Serial Plotter tienen el formato:

                variable = valor (+ salto de línea)

• El nombre de la serie (variable a representar) debe ser un nombre sencillo, sin caracteres especiales (evitar acentos, eñes, …) y nunca debemos usar el símbolo “=” para evitar errores.
• Podemos representar varias variables en la gráfica a la vez.
• No es recomendable enviar datos con intervalos entre envíos inferiores a 100 ms, y en todo caso es recomendable utilizar una velocidad el puerto serie de 57600 o superior.
• Si utilizamos el Serial Plotter no podremos utilizar bloques de consola serie.
• El datalogger permite registrar (grabar) los datos y exportarlos en formato de archivo CSV para su posterior procesamiento.

        Ejemplo: Envío de datos de temperatura y humedad cada 1s

Visualización de los datos en el Serial Plotter:

Ejemplo:  registro de datos con el datalogger y descarga del archivo CSV:

3.3.4  Bluetooth

        La comunicación con el módulo Bluetooth HC-06 es exactamente igual que la del puerto serie, de hecho lo que hace el módulo Bluetooth es encapsular toda la información serie a través de una conexión serie virtual a través de un perfil Bluetooth de emulación de puerto serie.

        Podemos simular una conexión serie con un dispositivo móvil (con Bluetooth compatible con el perfil de puerto serie), un PC u otro módulo Bluetooth similar en otro dispositivo.

        Arduino UNO sólo posee un puerto serie implementado en su hardware, para no utilizar el módulo Bluetooth en los pines 0 y 1 (correspondientes al puerto serie hardware) e interferir con la comunicación serie o la programación del dispositivo (como hacen otros entornos) los bloques de Bluetooth implementan un puerto serie software que funciona exactamente igual pudiendo configurarse en cualquier otro pin digital tanto para RX (recibir) como para TX (transmitir).

• Iniciar: Permite configurar los pines donde está conectado el módulo Bluetooth y la velocidad a la que vamos a trabajar.

En el caso del microcontrolador ESP32 con bluetooth integrado, simplemente debemos indicar el nombre del dispositivo Bluetooth para iniciar la comunicación:

• Nombre: El módulo Bluetooth HC-06 permite configurar el nombre y el código PIN a través de comandos. Con este bloque podemos hacerlo fácilmente, el único requisito para que funcione es que ningún dispositivo Bluetooth esté conectado en ese momento al módulo HC-06. Por otro lado normalmente es necesario reiniciar el módulo para que aparezca la nueva configuración (y desemparejar el dispositivo móvil si ya lo estaba).

• Enviar: Escribe un valor de texto o el valor de una variable en el puerto serie. La opción “Salto de línea” permite añadir o no un retorno de carro al final del envío para bajar de línea.

• Enviar byte: Envía un valor numérico como un byte (8 bits). Por tanto el valor debe estar comprendido entre 0 y 255.

• ¿Datos recibidos?: Obtiene un valor de verdadero si hay datos recibidos pendientes de procesar o falso si no se ha recibido nada por la conexión serie.

• Recibir texto: Lee una cadena de texto recibida por el puerto serie. Si se indica la opción “hasta salto de línea” en cuanto se encuentra un salto de línea devuelve el texto recibido. Si no, hasta que se dejen de recibir datos.

•  Recibir byte: Leer un byte (8 bits) del puerto serie.

• Recibir como número: Leer una cadena de texto recibida por el puerto serie e intenta interpretarla como un número. Funciona igual que el boque del puerto serie (ver detalles de funcionamiento en el puerto serie)

• Fijar timeout: Establece el tiempo máximo de  espera en la recepción de datos por la conexión serie Bluetooth (valor en milisegundos)

Ejemplo: Envío de una variable contador a través de Bluetooth

Ejemplo: Recepción de un valor por para establecer la intensidad de un led

Ejemplo: pasarela serie <-> Bluetooth

3.3.4.1 Bluetooth HID (ESP32 / ESP32 STEAMakers)

        En las placas basadas en microcontroladores ESP32 tenemos la opción de convertir nuestro dispositivo en un teclado o ratón bluetooth (dispositivo HID: Human Inteface Device).

        De esta forma podemos emparejar nuestra placa con cualquier móvil, tablet, PC o dispositivo compatible con Bleutooth HID y enviar simulaciones de pulsaciones de teclas o de movimientos del ratón, lo que nos permite crear interfaces para juegos, interfaces de control personalizados y adaptados o enviar directamente datos de sensores como si los estuviéramos tecleando en el dispositivo.

3.3.5  Sensores

En el mercado existen infinidad de sensores y módulos para Arduino, aunque con los bloques genéricos descritos en el apartado 3.3.1 (entrada/salida) podemos leer la información de la mayoría de sensores digitales y analógicos arduinoblocks implementa bloques específicos para los sensores más comunes del mercado. Estos bloques a veces se limitan a leer la información digital o analógica, según el tipo de sensor, y en otros casos realizan una adaptación de los datos leídos para ajustarlos a la realidad (por ejemplo al leer un sensor de temperatura adapta la lectura a grados centígrados con un cálculo interno).

arduinoblocks incorpora bloques para  la mayoría de sensores modulares que podemos encontrar en el mercado, algunos muy populares como los sensores de Keyestudio y similares.

arduinoblocks es una plataforma online en continua evolución por lo que seguramente desde la edición de este libro ya incorporará nuevos sensores con nuevas funcionalidades.

• Sensor potenciómetro: Nos permite obtener la posición del mando rotativo. Ángulo de operación de unos 270º. Varía el valor de voltaje aplicado a la entrada en función de la posición de su resistencia variable interna.

Ejemplo: Sensor potenciómetro conectado al pin analógico A0 para ajustar una variable de temperatura a un valor entre 5 y 30 grados.

• Sensor pulsador: Botón para interactuar de forma táctil.

Dependiendo de la conexión que hagamos del pulsador, o en caso de utilizar módulos de pulsador de diferentes fabricantes,  la lógica de funcionamiento del pulsador puede ser diferente:

Alguno módulos de pulsador internamente trabajan de forma inversa por su conexión interna. En ese caso el pulsador siempre está dado una señal “On” y cuando lo pulsamos genera la señal “Off”. En ese caso podemos invertir la condición para detectar cuando está pulsado.

Ejemplo: encender un led cuando el pulsador está presionado y apagar si no lo está

Ejemplo con funcionamiento similar al anterior:

• Pulsador filtrado: Es un bloque similar al anterior pero que internamente hace un procesamiento de la señal del pulsador evitando “rebotes” y además detectando el “pulsar” y el “soltar”

Al igual que en el anterior, si por la conexión interna del pulsador la señal lógica funciona al revés (“on” en reposo y “off” al pulsar) podemos indicar que trabajo con lógica invertida:

• Sensor de movimiento (PIR): Se activa cuando detecta movimiento a su alrededor, a partir de un tiempo sin detección el sensor vuelve a desactivarse.

Ejemplo: Encendido del led del pin 13 al detectar movimiento.

Sensor PIR conectado al pin 6:

• Sensor de temperatura y humedad (DHT-11):  El sensor DHT-11 es un sensor que utiliza un protocolo de comunicación propio para facilitarnos el valor de temperatura y humedad ambiente. arduinoblocks internamente utiliza una librería para obtener la información decodificada del sensor. Es un sensor de baja precisión pero muy económico y versátil. En un único pin nos permite obtener dos valores con una precisión suficiente para muchas aplicaciones sencillas.

Tipo: Datos        Pin: 2-13/A0-A5

Valor: Temperatura: 0-50ºC  ±2ºC / Humedad: 20-90% ±5%

Ejemplo: Mostrar por la consola cada 5 segundos el valor de temperatura y humedad. Sensor conectado al pin 10.

• Sensor de temperatura y humedad (DHT-22):  El sensor DHT-22 es una versión mejorada del sensor DHT-11 con mayor rango de medida y precisión.

Tipo: Datos        Pin: 2-13/A0-A5

Valor: Temperatura: -40º - 125ºC  ±0.5ºC / Humedad: 0-100% ±2%

• Sensor de luz (LDR): Obtiene el nivel de luz ambiente mediante la resistencia LDR que varía en función de la luz ambiente aplicada.

Ejemplo: Encendido de un led cuando el nivel de luz es inferior al 25%

• Sensor de temperatura (NTC): Obtiene el valor de la temperatura ambiente. Utiliza una resistencia variable NTC que varía su valor en función de la temperatura ambiente. La relación resistencia/temperatura no es lineal, pero internamente se calcula el valor en grados aplicando la siguiente fórmula para obtener el valor corregido en ºC:

Ejemplo: Mostrar temperatura por la consola serie cada 5 segundos.

Sensor conectado al pin A3:

• Sensor de distancia (HC-SR04): El sensor genera una serie de tonos de ultrasonidos (no audibles), estos tonos si rebotan en una superficie vuelven y son captados por un receptor de ultrasonidos que incorpora el propio sensor. Midiendo el tiempo que tardan en volver los ultrasonidos podemos calcular la distancia a la que se encuentra el objeto sobre el que han rebotado.

Tipo: Datos

Pin Trigger (emisión): 2-13/A0-A5

Pin Echo (recepción): 2-13/A0-A5

Valor: 2  – 400 cm

• Sensor receptor de infrarrojos: Permite decodificar los protocolos de señales de pulsos infrarrojos utilizados por los mandos a distancia.

Protocolos detectados: RC5, RC6, NEC, SONY, PANASONIC,JVC, SAMSUNG, WHYNTER, AIWA, LG, SANYO, MITSUBISHI, DENON.

Tipo: Datos        Pin: 2-13/A0-A5

Valor: cadena de texto con el código en formato hexadecimal:

El valor devuelto por el bloque de recepción será una cadena de texto con valor vacío en caso de no detectar ningún código, y el valor del código en formato de texto hexadecimal en caso de detectar un código correcto.

Almacenamos el código en una variable de tipo texto:

        Si utilizamos mandos genéricos RC5 como el modelo de Keyestudio, podemos usar el bloque para comparar los códigos recibidos y así identificar fácilmente cada tecla:

        v1 = versión mando con teclas azules de keyestudio

        v2 = versión mando con teclas grises de keyestudio

Ejemplo: Detectar y mostrar códigos por la consolas

        En la consola obtendremos el valor de la cadena de texto en formato hexadecimal para cualquier mando a distancia compatible:

Ejemplo: Detectar valores de un mando de keystudio (v1=teclas azules, v2=teclas grises)

VERSIÓN OBSOLETA (valor numérico):

Tipo: Datos        Pin: 2-13/A0-A5

Valor: código recibido / 0 = ningún código detectado.

Dependiendo el tipo de mando recibiremos unos códigos con valores de un tamaño u otro.  Algunos mandos utilizan códigos de 32 bits, al almacenar el valor del código recibido en una variable de arduinoblocks se convierte a un valor decimal de 32 bits con signo y eso puede producir una alteración en el valor mostrado (número decimales extraños).

Para evitar este problema debemos tratar el valor como un valor entero sin signo de 32 bits añadiendo el bloque “Número entero sin signo” visto en el apartado de bloques matemáticos (3.2.3).

Ejemplo: Mostrar por consola el código recibido:

        Si utilizamos mandos genéricos RC5 como el modelo de Keyestudio, podemos acceder a los códigos directamente con el bloque correspondiente:

Ejemplo: Detectar teclas “izquierda” y “derecha” de un mando a distancia

• Sensor encoder (codificador) rotativo:  Un encoder rotativo es un elemento que indica su posición mediante posiciones codificadas. Cuando pasamos por cada paso se nota un pequeño salto que indica que se ha llegado a la nueva posición. Estos codificadores constan de dos pines de señal para el codificador y un pin para un pulsador que lleva integrado. Los dos pines del codificador nos dan la información en forma digital con un total de 4 combinaciones: 00, 01, 10, 11.

El encoder no tiene ninguna posición predefinida y no tiene límite de giro en ningún sentido. Automáticamente mantiene un valor interno con la posición virtual según los pasos en un sentido u otro, empezando siempre en 0.

Tipo: Datos        Pin:  Clk (A): 2 / Dt (A): 3

Valor: posición virtual del encoder (variable interna)

Ejemplo: Esperar hasta que el encoder recorra 5 saltos (clicks) hacia la derecha.

• Sensor de joystick: Este tipo de sensor de palanca se basa en dos potenciómetros que detectan la posición en cada uno de los ejes X e Y.

Tipo: Analógico        Pin: A0-A5

Valor: 0-100 (%)  /  0..1023

• Sensor detector de obstáculos (IR): Mediante el uso de un diodo emisor de IR y un fototransistor receptor de IR permite detectar cuando hay un obstáculo cerca por el reflejo de la luz IR. Este tipo de sensor permite normalmente un ajuste para definir la distancia a la que se activa el sensor.

• Sensor de nivel de sonido: Detecta el nivel de sonido ambiente.

• Sensor sigue líneas: Su funcionamiento es idéntico al detector de obstáculos por IR. Se utiliza para detectar superficies blancas/negras.

• Sensor foto-interruptor: Detecta cuando un objeto interrumpe un haz de luz entre un emisor y receptor.

• Sensor sonda de humedad: Mide la humedad con la ayuda de una sonda que se introduce en la tierra.

Ejemplo: Activación del led conectado al pin 13 en caso de detectar un nivel de humedad inferior al 20%. Sensor conectado en el pin A3

• Sensor de lluvia/agua: Mide el nivel de agua o lluvia.

• Sensor de golpe:  Detecta un impacto o golpe.

• Sensor de orientación: Detecta si la orientación es vertical / horizontal.

• Sensor de campo magnético: El sensor se activa con la presencia de un campo magnético cerca. Por ejemplo al acercar un imán al sensor.

• Sensor de vibración: Se activa cuando detecta una vibración.

• Sensor detector de llama: Detecta el nivel de fuego o una llama detectando la frecuencia de luz del fuego.

• Sensores de gas MQ-X: Están diseñados para detectar ditintos gases. Por lo general no son muy precisos. Los datos de estos sensores se obtienen sin procesar, con un valor entre 0...1023 o ajustado a %. En todo caso se deberá consultar las características detalladas del fabricante del sensor en concreto para interpretar el dato.

• Sensor de nivel de luz (TEMT6000):  Permite medir la luz ambiente con alta precisión además de ser un sensor que mide sólo la luz ambiente que percibe el ojo humano, filtrando el espectro de luz no visible y realizando así una medición más real para ciertas aplicaciones.

• Sensor de temperatura (LM35 / TMP36): Sensor de temperatura calibrado con precisión de 1ºC. La salida es lineal y cada ºC equivale a 10mV. El rango de medida es de -55ºC hasta 150ºC.

• Sensor acelerómetro (ADXL335):  Este tipo de sensores permite medir la aceleración en los tres ejes espaciales X,Y y Z. En reposo los ejes X e Y deben tener una valor aproximo de 0G y el eje Z debe tener un valor aproximadamente de 1G (la aceleración de la gravedad). Ante cualquier sacudida o movimiento el sensor nos indicará la aceleración en cada eje en unidades G. Este sensor permite medir desde -3G hasta 3G.

Internamente con cálculos trigonométricos se pueden obtener los  ángulos de rotación en X (Roll) y en Y (Pitch). Sin embargo para calcular la rotación en Z (Yaw) debemos utilizar otro tipo de acelerómetros que se complementan con un giroscopio.

Ejemplo: Mostrar los valores de aceleración por consola serie

• Sensor acelerómetro (ADXL345):  Acelerómetro de 3 ejes con conexión I2C que permite obtener las aceleraciones en X,Y,Z y los grados de giro X-Roll,Y-Pitch. La conexión I2C lo hace muy fácil de utilizar y obtiene uno datos más precisos que el modelo ADXL335 analógico.

• Sensor nunchuck: El controlador Nunchuck se conectar a través de i2c y permite utilizar obtener los datos de sus sensores internos: acelerómetros, joystick y botones.

• Sensor de polvo PM2.5: Este sensor mide con alta precisión las partículas en el aire.

Ejemplo de conexión:

• Sensor NO2/CO (MICS4514): Sensor de Monóxido de carbono y nitrógeno.