1. Cómo utilizar Echidna

• Tema 1 ¿Cómo utilizar Echidna?
• Conocer el Arduino primero
• Hardware del Arduino
• Software del Arduino
• Sensores
• Actuadores y otras salidas del Arduino
• ¿Qué es EchidnaShield?
• Cómo se programa Echidna Shield
• MONTAJE 1 SEMÁFORO con mBlock
• MONTAJE 1 SEMÁFORO con Snap4Arduino
• MONTAJE 1 SEMÁFORO mediante código
• mBlock vs Snap4Arduino ¿cuál es el mejor?
• Programación en mBlock
• Otros
• Alimentación del Echidna
• Kit de préstamo en CATEDU

Tema 1 ¿Cómo utilizar Echidna?

En este tema veremos:

• 1.1 Qué es Echidna pero antes hay que conocer el ARDUINO
• 1.2 Qué programa vamos a utilizar para programarlo
• 1.3 Comparativa de otros robots y propuestas para enseñar el pensamiento computacional en nuestras clases.

Todos los programas de este curso se encuentran en este repositorio: https://github.com/JavierQuintana/Echidna

Source: https://echidna.es/

Conocer el Arduino primero

¿Qué es Arduino?

Arduino es una tarjeta electrónica que integra básicamente a un microcontrolador y un conjunto de pines de conexión de entradas y salidas que permiten, mediante un determinado programa, interaccionar con el medio físico mediante sensores y actuadores electrónicos. De esta forma podrás crear tus propios proyectos tecnológicos, dotarlos de sensores que detecten magnitudes físicas como luz, calor, fuerza, etc… y en base a esa información, escribiendo un programa, activar otros dispositivos (actuadores) como pequeñas bombillas, ledes, servomotores, pequeños motores DC, relés, etc… Los sensores se conectan a los pines de entrada y los actuadores a los de salida.

¿Sabías que.... ? Uno de los co-creadores de Arduino es Español, de Zaragoza: David Cuartielles +info

¿Qué es un microcontrolador?

Es un circuito integrado que se puede programar, o sea que puede ejecutar las órdenes que tenga almacenadas en su memoria. Tiene las tres funciones principales de un computador: la unidad central de proceso, memoria y entradas y salidas.

Arduino utiliza la marca ATMEL, y el modelo de microcontrolador depende del tipo de tarjeta, por ejemplo la tarjeta Arduino Uno utiliza el micro ATMEL MEGA 328P. Si quieres saber las entrañas de esta placa aquí

¿Qué se puede hacer con Arduino? ¿Algún ejemplo?

Realmente el límite lo marca tu imaginación pero por dar alguna pista, podrías diseñar un sistema para la apertura y cierre de la puerta de un garaje, hacer un robot móvil que detecte objetos o que siga una línea negra, crear un detector de luz y oscuridad, implementar un termómetro, controlar un cilindro neumático, etc…

En este manual tienes múltiples ejemplos de pequeños proyectos para el aula, aunque Arduino es una herramienta que también se utiliza en el ámbito profesional para monitorización de sensores y automatización a pequeña escala por su flexibilidad, fiabilidad y precio.

¿Qué son las entradas y salidas?

Mediante los conectores de Arduino correspondientes a las entradas y salidas podemos comunicar nuestros programas con el “mundo exterior”. Si queremos leer el valor de la magnitud física medida por un sensor, por ejemplo una LDR que detecta el nivel de luminosidad, lo tendremos que hacer conectando el sensor a uno de los pines de entrada (en este caso analógicas) de la tarjeta.

De esta forma con una simple instrucción de lectura en el programa, podremos obtener el valor de la magnitud física. Si nuestra intención es actuar o “hacer algo” una vez leído el valor del sensor, por ejemplo encender un led si el sensor de luminosidad detecta oscuridad, tendremos que conectar el actuador (en este caso el led) a un pin de salida que proporcionará la corriente necesaria para activarlo.

En Arduino las entradas pueden ser analógicas o digitales y las salidas sólo digitales. Cada pin digital tiene doble función entrada o salida. En la zona de configuración del programa hay que indicar explícitamente mediante una instrucción cuál es función desempeña un determinado pin.

¿Dónde se conectan los sensores? ¿A las entradas analógicas o digitales?

La mayoría de sensores miden señales analógicas y proporcionan una variación de voltaje dentro de un rango (normalmente de 0 a +5V) dependiendo de lo que varíe la magnitud física medida. Muchos sensores son resistivos a algo (luz, temperatura, humedad,…), es decir que varían su resistencia eléctrica con la magnitud física, pero mediante un sencillo montaje de divisor de tensión conseguimos una variación de voltaje apta para Arduino. Estos montajes los veremos en las prácticas.

Veamos este ejemplo:
El sensor LDR es una resistencia que cambia según la intensidad de la luz. La estrategia es colocar el LDR en un divisor de tensión con otra resistencia de valor parecido al promedio del que da el LDR (por ej 10k), y el valor del punto de unión proporciona una tensión entre 0 y 5V. Como es una señal analógica, la conectamos a una entrada analógica (en la figura al A6)

Una vez realizadas las conexiones, si midieramos la salida del sensor con un voltímetro nos daría un valor decimal, por ejemplo un nivel de luz “intermedio” (rango de 0 a 5V) de un sensor de luz podría dar 3,3 voltios. Este tipo de información el microcontrolador no la entiende tal cual, sólo es capaz de interpretar números binarios (“0” ó “1”) por lo que para traducir los valores analógicos dispone internamente de un conversor analógico – digital que hará la conversión entre los dos sistemas, de forma que podremos tener valores discretos de la medida de los sensores analógicos. En el Arduino las entradas analógicas leen valores analógicos entre 0V y la alimentación (normalmente 5V) y los convierten en números entre 0 y 1023 (porque lo codifica en 10 dígitos binarios proporcionan  2¹⁰ = 1024 combinaciones).

Por ejemplo, si la entrada analógica lee un valor de 3,3V y la fuente de alimentación es 5V, la señal analógica que lee Arduino, haciendo una regla de 3, tiene un valor de 3,3 * 1023 / 5 = 675,18 = 675

Mapeo
Para convertir estos valores 0 -1023 a valores más legibles, por ejemplo 0 - 100 para representarlo en % o 0-5 para que represente la medida en voltios ... veremos en programación la función mapear

La mayoría de los sensores nos lo venden ya preparados montados en una pequeña placa electrónica y con circuitos integrados auxiliares para no tener que estar haciendo divisores de tensión. Pueden tener salida analógica o salida digital, que en este caso lo tenemos que conectar a cualquier entrada digital D0 hasta D13.

Veamos el mismo ejemplo del LDR: Podemos comprar este módulo:

Estos módulos proporcionan 3 pines: dos que son la alimentación, (0V, GND o - )  y (+5V V+o Vcc) y el pin que proporciona la lectura (Vout o D0 o I/O). En el caso de que sea un sensor que mida una magnitud analógica como en este caso la luz, suelen proporcionar un potenciómetro para determinar qué luminosidad se considera un 0 o un 1.

¿Hay sensores digitales que no estén en una placa electrónica?

Las entradas digitales sin una placa electrónica son cuando las señales a leer son valores discretos. Por ejemplo queremos poner un pulsador o un interruptor que encienda un led. Hacemos un montaje que cuando se pulse, entren 5 voltios en el pin digital de entrada y cuando no se pulse que “entren” 0 voltios. De esta manera la lectura del pin digital de entrada será “HIGH” con 5 voltios o “LOW” con 0 voltios.

Veremos más adelante que un interruptor no es un simple cable que conectamos a +5V o a 0V pues ¿Qué valor lee Arduino mientras levantamos el cable de un sitio a otro?, para ello veremos configuraciones Pull-up o Pull-down que se repiten en muchos sensores.

¿Qué son las salidas digitales etiquetadas con PWM (~)?

Son salidas digitales que simulan una salida analógica. Las siglas significan Modulación por Ancho de Pulso (Pulse Width Modulation) es decir, proporcionan una onda cuadrada con un nivel alto (+5V) de “cierta” duración.

Los valores PWM que podemos proporcionar pueden ir desde 0 a 255.

• Un valor bajo es una señal cuadrada donde el pulso es pequeño comparado con el periodo (ver figura primera señal) por lo tanto el Valor medio es bajo.
• Un valor mitad, es decir 255/2 = 127 o 128, corresponde a una señal cuadrada perfecta (ver figura segunda señal) por lo que el Valor medio es la mitad, si 5V es la tensión de alimentación, sería 2,5V.
• Un valor alto es una señal cuadrada donde el pulso es grande comparado con el periodo (ver figura la tercera señal) por lo tanto el Valor medio es alto
• Un valor 0 corresponde a un 0V analógico y sería una señal sin pulso
• Un valor 255 corresponde a la máxima tensión (la de alimentación (normalmente 5V). 
• La frecuencia es de 490Hz para los pines 3, 9, 10, 11 y de 980Hz para los pines 5 y 6 en un Arduino UNO o Nano

De esta manera podemos simular señales analógicas, esto es muy útil para activar servomotores y llevarlos a una posición determinada o variar la luminosidad de un led o en los motores de los robots que vayan más deprisa o más despacio

¿Puedo accionar motores DC con Arduino?

Si son motores muy, muy pequeños sí sería posible aunque no es recomendable, pueden dañar la placa. Los motores necesitan un consumo alto de corriente, sobre todo si tienen que mover cierta carga, por lo que se recomienda o bien utilizar una tarjeta Shield o extensión de Arduino que dispone de circuitería apta para proporcionar dicha corriente (transistores).

• En el curso Arduino con código utiliza una Shield llamada Edubásica que dispone de un transistor y un circuito integrado LM293 para realizar esta función, además de otras ventajas para el aprendizaje de Arduino.
• En el curso Rover con Arduino utiliza Shield motor para NodeMCU
  

Hardware del Arduino

Placa Arduino

Arduino puede tomar información del entorno a través de sus pines de entrada de toda una gama de sensores y puede afectar aquello que le rodea controlando luces, motores y otros actuadores. 

Entradas y salidas

La placa Arduino UNO consta de:

• DIGITALES:
  • 14 entradas/salidas digitales D0-D13 previamente hay que configurarlas o entradas o salidas. Que operan a 5 ó 0 voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir como máximo 40 mA.
    • Los pines D0 y D1 son compartidos por el puerto USB por lo tanto no se pueden utilizar si se está comunicando con el ordenador, están marcados como TX/RX (transmisión y recepción puerto serie).
• ANALOGICAS
  • 6 entradas analógicas A0 al A5 con una resolución de 10 bits que proporcionan un número entero de 0 a 1023. Por defecto miden de 0 voltios (masa) hasta 5 voltios. 
  • 6 salidas pseudo-analógicas, en los pines digitales 3, 5, 6, 8, 10 y 11 son PWM (Pulse Width Modulation) y como hemos visto, pueden proporcionar una salida cuadrada que su valor medio puede estar entre 0 y 5V

La intensidad de corriente que pueden proporcionar como salida son 20mA.

Pines de la placa

Elementos con los que podemos interactuar: (tomando como ejemplo la placa USB). Empezando en el sentido de las agujas del reloj desde el centro de la parte superior:

• Pin de referencia analógica (naranja).
• Señal de tierra digital (verde claro).
• Pines digitales 2-13 (verde).
• Pines digitales 0-1 / entrada y salida del puerto serie: TX/RX (azul) (estándar de comunicación serie IC2).
• Botón de reset (negro).
• Entrada del circuito del programador serie (marrón).
• Pines de entrada analógica 0-5 (azul oscuro).
• Pines de alimentación y tierra (naranja y naranja claro).
• Entrada de la fuente de alimentación externa (9-12V DC)
• X1 (gris). - Entrada fuente de alimentación externa 
• SV1: En las placas antiguas existen estos pines para conmutar si la alimentación es por el puerto USB, ahora lo realiza automáticamente un transistor MOSFET
• Puerto USB (rojo).

Las placas: Arduino Diecimila, Arduino Duemilanove o UNO y Arduino Mega están basados en los microcontroladores Atmega168, Atmega 328 y Atmega1280 respectivamente. Trabajan a 16MHz, una velocidad suficiente para proyectos de robótica. Su capacidad de memoria Flash van desde 16k el Atmega168 hasta 128k Atmega1280, suficientes para que quepan nuestros programas de robótica.

SHIELDS para Arduino

Las llamadas Shields (escudos) para Arduino son tarjetas que se acoplan a la placa Arduino y añaden funciones y potencialidad a la placa Arduino.  Según mi criterio hay dos tipos de Shields: Las educativas y las no educativas

Shields educativas

Hay muchas Shields Educativas, vamos a ver unos pocos ejemplos

• La shield del curso Arduino con código EDUBASICA, que integra algunos sensores y actuadores, pero lo que destaca es que además tiene la opción de conexión de motores o actuadores que requieran potencia, pues la placa Arduino por sí sola no puede proporcionar la suficiente intensidad para alimentar motores, relés o electroválvulas. El límite de intensidad que proporciona cada una de las salidas digitales es de 40 mA. Para poder activar estos dispositivos tendremos que montar un circuito externo adicional con transistores o circuitos integrados específicos para motores, como es el caso del LM293, que entregan la intensidad suficiente. Para facilitarnos la tarea esta placa integra un LM293 y un transistor de potencia, en total 5 salidas de potencia.

• La shield del curso ECHIDNA  que tiene integrados sensores y actuadores como el acelerómetro, sensor de luz, pulsadores, potenciómetro, altavoz...  y destaca el Joystick con la posibilidades de gamificación que se puede hacer con este elemento. También destaca el modo MAKEY que permite convertir los pines analógicos y los digitales D2 D3 en pines sensibles al tacto, con las mismas posibilidades que la placa MAKEY MAKEY (ver curso Makey Makey). Actualmente Echidna ya no fabrica esta Shield sino comercializa la ECHIDNA BLACK que no es una shield sino es autónoma (es decir, NO necesita la placa Arduino, la tiene integrada)
  .

• La shield del curso ARDUINO EN EL AULA, la TDR-STEAM que tiene muchas posibilidades didácticas por su sensores (temperatura, humedad, luz, potenciometro, pulsador, receptor IR).

• La Shield k5864195 muy sencilla y barata, si lo que se busca son sensores sencillos (pulsadores, potenciómetro) y actuadores sencillos (altavoz, leds y display 7 segmentos).

• Shield Protoboard que simplemente tiene una placa para hacer los prototipos. Por ejemplo Curso de Domótica con Arduino
  

Shields no educativas

Es difícil elegir unos ejemplos de toda la variedad comercial que existe y tanta vitalidad de versiones (ver lista), preferimos que en caso de que necesites alguna función extra a tu Arduino, busques en ese momento cual es la mejor Shield que se adapta a tu proyecto. Es importante que sepas que existen Shields para todo, por ejemplo para...

• Agregar conectividad al Arduino, ya sea por red móvil (3G, 4G), por Wifi, Bluetooth o por cable Ethernet o incluso localización GPS.
• Agregar potencia a las salidas para conectar por ejemplo motores, como el de Edubásica pero más especializado en esta función y con más salidas pero por ejemplo la L293D ⨤7€ permite 4 motores, motor paso a paso, servo....
• Shields con relés para conectar sensores y actuadores con tensión y así no tienes problemas de quemar el Arduino.
• Shields con batería que en el caso de corte de alimentación, permiten que el Arduino no se apague.
• Entrada y salida de imagen con pantalla líquida y cámara

Y encima se pueden apilar !! consiguiendo aumentar la capacidad de tu Arduino tanto como necesites (sin pasarte, pues pues alimentación del Arduino es limitada al menos que la Shield tenga su propia alimentación.

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Alimentación eléctrica de Arduino

Uno de los aspectos claves para el buen funcionamiento de proyectos con Arduino, es que no incluyan elementos que consuman una intensidad superior a 200 mA como motores, relés, electroválvulas, etc.. Si los incluyen, entonces todo falla, debido a que no se ha alimentado correctamente la placa.

Tenemos dos posibilidades para alimentar Arduino:

A .- Mediante el cable USB conectado al ordenador:

• Cada pin proporciona 40 mA.
• El límite proporcionado por el USB es de 500 mA en total.

Si conectamos demasiada carga, la placa Arduino suele tener un comportamiento anómalo pudiéndose resetear el micro.

B .- Utilizando una fuente de alimentación externa conectada al Jack de Arduino (fuente de voltaje, adaptador de corriente, batería o portapilas) :

• El voltaje recomendado de la fuente externa está entre 7 y 12V.
• Tiene un diodo de protección para proteger la placa de cambio de polaridad accidental.
• La intensidad máxima que puede entregar Arduino a los actuadores que queramos controlar (servos, motores, relés,...) es de 1A, aunque una exposición prolongada a esta corriente puede estropear la placa. Lo recomendable son 500 mA.
• El pin serigrafiado con Vin proporciona directamente el voltaje de la fuente conectada al Jack de Arduino (menos la caída de tensión del diodo de protección) Desde ese pin podemos sacar un cable y alimentar a los actuadores que necesitemos. Por ejemplo, si alimentamos con una pila externa de 9V conectada al jack, en el pin Vin tendremos aproximadamente 9V (hay que restar la caída de tensión del diodo de protección que será de medio voltio). Además en los pines 5V y 3.3V dispondremos también de dichos voltajes aunque la fuente externa sea de 9V.

C.- No recomendable: Conectando el positivo (+Vcc) de la fuente externa a Vin y el negativo a GND:

Podemos alimentar Arduino externamente si necesidad de conector Jack a través de Vin y GND el problema es que nos saltamos un diodo de protección que evita  que se queme el circuito por un exceso de corriente.

CONCLUSIÓN:

• Si necesitamos hacer funcionar actuadores de bajo consumo (luces, zumbadores, etc...) podremos trabajar directamente con el USB conectado al ordenador o conectado a un PowerBank.
• Si necesitamos mover cargas, excitar bobinas u otros elementos de mayor consumo lo recomendable es alimentar externamente Arduino desde el Jack con un rango de 9 a 12V.

Si vas a utilizar elementos que requieran más de 800mA tienes que usar la alimentación externa del Jack y alimentar esos elementos por el pin Vin del Arduino.

Si esos elementos van a ser alimentados de forma independiente. ES IMPORTANTE UNIR LAS MASAS, En caso contrario, romperás la placa Arduino.

En este ejemplo se ha conectado el motor a una tensión externa (la pila) y la placa Arduino al USB fíjate como se han unido las masas
Opcionalmente se ha optado por unir el + de la pila con Vin. Eso equivale a conectar la pila al Jack. Esto hace que si quitamos la alimentación USB, la placa Arduino sigue alimentada.
Es recomendable unir la fuente externa (pila) al jack y no como se muestra, pues así tienes un diodo de protección que te protege la placa Arduino en el caso de que cambies la polaridad de la pila de forma accidental. ¿Porqué en este circuito no se ha hecho así? Porque en Tinkercad no he encontrado un Jack.

Software del Arduino

El microcontrolador en la placa Arduino se programa mediante dos tipos de programación:

OPCIÓN LENGUAJE POR CÓDIGO

Recomendable a partir de secundaria. Es un lenguaje basado en Wiring y permite la programación del Arduino en un entorno de desarrollo (basado en Processing). El programa se llama ARDUINO IDE y se puede descargar desde la página oficial de Arduino: https://www.arduino.cc/en/software.

Hay otra posibilidad que es utilizarlo online, con la ventaja de tener tus proyectos "en la nube" y no depender del equipo. OJO, TIENES QUE TENER INSTALADO EL SOFTWARE CREATE AGENT
https://create.arduino.cc/getting-started/plugin/welcome

En los cursos de CATEDU se ha utilizado el lenguaje por código empezando desde cero en:

• CURSO ARDUINO CON CÓDIGO donde se trabaja con el Arduino y con diferentes sensores y actuadores, con o sin placa Shield Edubásica.
• CURSO DE DOMOTICA CON ARDUINO  donde se realiza una maqueta de una casa controlada con domótica. También el curso ofrece la versión de hacer la misma maqueta utilizando lenguaje gráfico por bloques.

Recomendamos estas hojas resumen si vas a trabajar con código:

• En Español: enlaceDrive, enlaceGithub
• En Inglés: enlaceDrive, enlaceGithub, enlaceSpakrfun

OPCIÓN LENGUAJE GRÁFICO POR BLOQUES

Recomendado para primaria. Tenemos muchas posibilidades de lenguajes gráficos. Destacamos dos:

• ARDUINOBLOCKS se trabaja online, muy visual y muy amigable. Está adaptado tanto para trabajar tanto Arduino como muchas placas controladoras y en el aula. Podemos verlo en los siguientes cursos:
  
  • CURSO ROVER CON ARDUINO aunque no se utiliza un Arduino, sino un NodeMCU pero la programación es exactamente igual
  • CURSO DE ARDUINO CON ARDUINOBLOCKS donde se utiliza el Arduino con una placa protoboard
  • CURSO ARDUINOBLOCKS EN EL AULA  donde se utiliza la Shield TDR-STEAM
  • CURSO ESP32 EN EL AULA donde también utiliza la Shiedl TDR Steam pero la placa no es un Arduino, sino ESP32, la programación es exactamente igual.
• MBLOCK  Basado en Scratch. Aunque es un programa especializado en el robot comercial mBot, (basado en Arduino), el mismo programa está adaptado para programar Arduino. 
  • CURSO ARDUINO CON MBLOCK se utiliza Arduino y placa Protoboard
    
  • CURSO DE ECHIDNA CON MBLOCK se utiliza la Shield Echidna
  • CURSO DE MBOT se utiliza el robot mBot

Otros softwares para programar con bloques

• Snap4Arduino https://snap4arduino.rocks/run/ Online, libre... ver compartiva vs mBlock
• S4A https://s4a.cat/

EN VIVO ¿Qué es eso?
Existe una posibilidad de utilizar la placa "en vivo" (lo normal es "cargar" el programa en la placa).
Es decir, interactuando con el ordenador. El programa está en el PC, En la placa hay un firmware que le dice que este a las órdenes del PC.  De esta manera podemos por ejemplo:
     - Ordenador ➡️ Placa: pulsando la tecla espacio que se encienda el led 13 
      - Placa ➡️Ordenador:  Que por pantalla nos muestre la cantidad de luz, o que si es de noche que suene una canción..
Que nosotros sepamos, sólo hay dos programas de hacer esto;
               - mBlock
                -Snap4Arduino

VENTAJAS E INCONVENIENTES
LENGUAJE GRÁFICO POR BLOQUES vs CÓDIGO

El lenguaje gráfico por bloques es un lenguaje sencillo de utilizar, nos evita tener en cuenta muchas librerías y cálculos.

Otra ventaja, es que el lenguaje por bloques es el único que permite programación "en vivo"

Por ejemplo, la instrucción leer valor distancia el sensor ultrasonidos, mediante programación por bloques es 

mientras que en código es

double distancia;

double fnc_ultrasonic_distance(int _t, int _e){
	unsigned long dur=0;
	digitalWrite(_t, LOW);
	delayMicroseconds(5);
	digitalWrite(_t, HIGH);
	delayMicroseconds(10);
	digitalWrite(_t, LOW);
	dur = pulseIn(_e, HIGH, 18000);  
    // devuelve cuanto tarda el pulso alto en microseg; 18000 es el tiempo a esperar limite
	if(dur==0)return 999.0;
	return (dur/57);
    // la velocidad del sonido es 344m/s = 34400 cm/seg = 0,0344 cm/microseg
   // como v=e/t luego e = v*t y como cuenta la ida y la vuelta distancia = v*t/2
   // luego distancia = 0,0344/2 * dur = dur/57 
}

void setup()
{
  	pinMode(6, OUTPUT);
	pinMode(5, INPUT);

}


void loop()
{

  	distancia = fnc_ultrasonic_distance(6,5);

}

Como se puede ver en código, tiene que calcular la distancia haciendo cálculos del tiempo de rebote del eco, mientras que el gráfico es sumamente sencillo y se centra en el objetivo del algoritmo a crear, no en lo accesorio. Esto hace que un lenguaje gráfico por bloques se puede aplicar desde los 8 años.

Por otra parte, el lenguaje código tiene todo el potencial, es decir, no todo está en los lenguajes gráficos. Si se quiere cosas más avanzadas, hay que recurrir al código.

Un lenguaje gráfico se convierte en lenguaje código, pero al revés no se puede.

Imagen Federico Coca Notas sobre ESP32 STEAMakers CC-BY-SA

El lenguaje código se traduce en lenguaje máquina (ceros y unos) entendible para el microprocesador, pero al revés no se puede.

En este vídeo, en mi opinión se olvida de mBlock, Snap4Arduino, S4A pero puedes ver un vistazo de los diferentes editores

Vale, me decanto por EDITOR GRÁFICO (bloques) y permita la opción EN VIVO ¿Cual es mejor mBlock o Snap4Arduino ? 
Ver MBLOCK VS SNAP4ARDUINO

OPCIÓN SIMULACIÓN                                    

Incluimos dentro del apartado de Software los diferentes programas que hay para simular placas electrónicas como Arduino, ESP32, etc...

Tinkercad

Esta herramienta https://www.tinkercad.com aparece en el Curso Arduino con código  en la práctica Comunicación entre dos Arduinos, pero también es una plataforma que sirve para hacer los diseños de elementos 3D, ver curso Impresión 3D con Tinkercad

Tiene la ventaja que es aplicación online, muy visual y buscan un reflejo de la práctica real, además de estar la herramienta adaptada al aula (gestión de alumnos y proyectos). Como  desventajas podemos decir que no tiene mucha variedad de componentes electrónicos y la simulación es algo lenta.

Wolwi

Si Tinkercad se queda corto, puedes probar esta plataforma https://wokwi.com/ con muchas posibilidades. Es online y puede trabajar con multitud de placas: ArduinoUno, ESP32, Raspberry,,,,
Como única desventaja que encontramos, es que echamos de menos la realidad de Tinkercad, por ejemplo no puedes poner una placa protoboard para realizar las conexiones, pero a cambio se gana simplicidad de cableado.

UnoArduSim

Es una aplicación local.  UnoArduSim además es una aplicación portable fácil de instalar y con los elementos de leds, motores servos ya preparados, ideal para ejemplos sencillos y para examinar señales y no depender de Internet, pero no es tan versátil.

Sensores

Esta sección es una visión rápida de las posibles entradas del Arduino y está adaptado de este enlace. José Andrés Echevarría @cantabRobots CC-BY-NC-SA

Cualquier sistema de control podríamos decir que funciona de una manera similar a un ser humano, salvando las distancias. Nosotros recibimos la información del mundo exterior gracias a nuestros sentidos (oído, olfato, gusto, vista y tacto), nuestro cerebro procesa esa información y a través de nuestros músculos o de nuestra voz realizamos diferentes acciones. Pues lo mismo sucede con los sistemas de control, reciben información del exterior gracias a los diferentes SENSORES, procesan esa información en sus PLACAS CONTROLADORAS (sus cerebros) tales como Arduino y dan una respuesta utilizando sus diferentes ACTUADORES.

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.

En la actualidad la cantidad de sensores disponibles es tan extensa como las variables que queramos medir, desde sensores de temperatura, humedad, luminosidad,... hasta acelerómetros, giroscopios, GPS,... pasando por detectores de gases, de pulsos cardiacos, sensores de efecto HALL,...

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.

• 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 (A0,..., A5). El rango de entrada será una tensión entre 0v (GND) y 5v.

Ejemplo: Una fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Su valor varía entre 0 y 5 v. la cantidad de valores que pueden leer las entradas analógicas de Ardunio son de 10 bits es decir 1024 valores. De tal modo que 0 = 0 v. y 1023 = 5V.

• 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 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: el sensor DHT11 que mide temperatura y humedad.

Sensores modulares más comunes.

En  la  actualidad  existen  infinidad  de  sensores  que  los  fabricantes  presentan  en  forma modular.  Esto  hace  que  su  conexión  y  utilización  sea  mucho  más  sencilla  que  la  tradicional, olvidándonos de resistencias, polaridades, cableados,… para su correcto funcionamiento.

Sensor pulsador

Es un sensor digital, que presenta dos estados; cuando se presiona el botón,  emite  una  señal  de  bajo (0V), cuando suelta el botón, emite una señal de bajo alto (5V). Datasheet

Un ejemplo de uso

• en el robot mClon

 

Otra manera más "barata" de sustituir este módulo pulsador es poner un pulsador normal y una resistencia (±10k), al pulsar se produce una entrada en el Arduino, hay dos configuraciones, que al pulsar se emita un 0 lógico (configuración Pull up) o que al pulsar emita un 1 lógico (configuración Pull down) ¿Por qué hay que poner una resistencia?

Lo "normal" es que al pulsar se emita un '1' configuración Pull down, pero hay pulsadores que funcionan al revés, lógica invertida o pull up, por eso en la programación por bloques podemos encontrar esto:

Sensor Táctil Capacitivo. 

Este  pequeño  sensor  puede  "sentir"  a  las  personas  y  el  tacto  y  la retroalimentación de metales a un nivel de voltaje alto / bajo. Incluso aislado por alguna tela y papel, todavía puede sentir el tacto. Su sensibilidad disminuye a medida que la 
capa de aislamiento se hace más gruesa. En nuestra opinión lo preferimos frente al Sensor pulsador pues es muy económico, duradero y fiable.

Un ejemplo de uso en

• Disparo láser en Arduino con ArduinoBlocks
• Apertura de puerta en Domotica con Arduino

Potenciómetro y joystick

Un potenciómetro es una resistencia variable, es decir, cambia de valor mecánicamente, lo tenemos en multitud de dispositivos. El joystick es internamente dos potenciómetros con un pulsador integrado en un solo mando.

Este sensor es analógico, su salida puede ser cualquier valor entre Vcc y GND (si está en divisor de tensión como en la placa Edubásica no llega a esos valores extremos), por lo tanto hay que conectarlo a una entrada analógica de Arduino y como cualquier entrada analógica, proporcionará valores entre 0 y 1023.

Ejemplos de uso:

• Arduino con código: Mapeo del potenciómetro
• Arduino con código: Regular la luz con potenciómetro
• Arduinoblocks en el aula
• En Arduino con Echidna, con joystick
• Domótica con Arduino con joystick

 Sensor Fotocélula LDR. 

El  uso  de  fotocélulas  es  muy  común  en  nuestras  vidas,  las  encontramos  en  el  encendido automático de  farolas, apertura de  puertas,…  La  fotocélula  es un  semiconductor. Es  ampliamente utilizado  en  campos  de  interruptores  de  control  automático  como cámaras,  luces  solares  de  jardín,  lámparas  de césped,  detectores  de  dinero,  relojes  de cuarzo, tazas de música, cajas de regalo, mini luces  nocturnas,  interruptores  de  control  de luz y sonido, etc.  
Es un sensor analógico dando valores entre 0 y 5V y como entrada analógica de un Arduino se traduce en un rango de 0 a 1023 valores. 
Un ejemplo de uso :

• el interruptor crepuscular del curso Arduino con ArduinoBlocks
• Medir la luz en Rover con Arduino
• Medir la oscuridad en Arduino con mBlock
• Hinchar un balón en Arduino con mBlock

Una manera más económica de montar este sensor es utilizar una resistencia y un LDR:

• El LDR cuando más oscuridad, más resistencia
• En una configuración PULL DOWN, cuanto más luz, la resistencia del LDR baja, por lo tanto más tensión en A6

Los módulos LDR que se venden suelen esta configuración Pull down, es decir, cuanto más luz,  más tensión:

La instrucción con Arduinoblocks ya cuenta con esta configuración Pull downUp de que cuando más luz, más valor tiene la entrada analógica.

Hay módulos LDR ya montados,  que tienen componentes activos es decir, llevan circuitos electrónicos, transistores que amplifican etc... y dan la salida digital con un potenciómetro para definir el rango de luz que cambia de estado lógico. Puedes ver en la figura que tiene una salida digital D0.

O como en la figura que ofrecen las dos cosas: salida analógica A0 y digital D0.

Nosotros aconsejamos el divisor de tensión por tres razones: más barato, no implica gran circuitería y es visible su funcionamiento frente a estos encapsulados.

Sensor llama

Este sensor de llama se puede utilizar para detectar fuego u otras luces cuya longitud de onda se encuentra entre 760 nm ~ 1100nm.

Un ejemplo de su uso:

• Alarma por fuego en Domótica con Arduino

Sensor de Ultrasonidos.

Es un sensor digital de distancias por ultrasonidos capaz de detectar objetos y calcular la distancia a la que se encuentra en un rango de 2 a 350 cm. Su uso es tan sencillo como enviar el pulso de arranque y medir la anchura del pulso de retorno.

No es un sensor preciso, con una ligera inclinación de la superficie ya da lecturas erróneas pero es muy barato

Ejemplos de uso:

• Alarma en Domótica con Arduino
• Piano invisible en Arduino con ArduinoBlocks, 
• Sensor parking en Arduino con ArduinoBlocks
• Piano invisible en Arduino con mBlock
• Sensor parking en Arduino con mBlock

Pines de conexión:

• VCC
• Trig (Disparo del ultrasonido)
• Echo (Recepción del ultrasonido)
• GND

Distancia = {(Tiempo entre Trig y el Echo) * (V.Sonido 340 m/s)}/2 por lo tanto en la programación tenemos que leer esos dos pulsos y calcular la distancia.

Sensor DHT11 (Temperatura y Humedad).

Este sensor de temperatura y humedad DHT11 tiene una salida de señal digital que funciona en un rango de temperaturas entre 0 y 50ºC con un error de ± 2ºC y un rango de humedad entre 20 y 90 % ± 5% . Tiene dentro un pequeño microprocesador que lanza por el bit de datos 40 bits en serie, los 16 primeros son la humedad y los 16 restantes es la temperatura los 8 restantes son de comprobación. Por ejemplo 0100 0111 0000 0011 0001 1001 0000 0000 0001 1000  es 0100 0111 0000 0011 = 47.03% de humedad y 0001 1001 0000 0000 = 19.00ºC y la comprobación es la suma de 4+7+0+3+1+9+0+0=24=11000

Ejemplos de uso:

• Medir H y T con Blink en Rover con Arduino
• Estación meteorológica Arduino con Arduinoblocks
• Arduinoblocks en el aula

No es un sensor con gran sensibilidad, pero para propósitos educativos cumple sus funciones. Por dentro tiene una resistencia NTC que decrementa su resistencia si aumenta la temperatura. Hay otros que van al revés, los PTC. Tanto los NTC como los PTC se llaman thermistores. Para la humedad, mide la capacidad de un condensador que es sensible a la humedad, o sea, un sensor capacitivo.

Tenemos dos opciones comerciales: Encapsulado que lo tienes preparado para conectar la alimentación y leer por el pin de datos, o sin encapsular, que hay que colocar una resistencia de aproximadamente 10k entre Vcc y Data

Ejemplo de uso de un DHT11 sin encapsular:

Fuente Luis LLamas CC-BY-NC-SA https://www.luisllamas.es/arduino-dht11-dht22/

Si queremos mejorar la sensibilidad, podemos utilizar el DHT22 que es igual pero de color blanco y más caro. Si lo que queremos es sólo la temperatura es mejor utilizar el LM35D que tiene un rango de temperaturas desde 0ºC a 100ºC con una sensibilidad de 2mV/ºC

Es un sensor bastante mediocre, si necesitas una precisión el doble, te recomendamos el DHT22 que funciona exáctamente igual pero es de color blanco y más caro ⁓3€. Ver https://www.luisllamas.es/arduino-dht11-dht22/

Sensor de humedad de suelo.

La función de este sensor es detectar la humedad del suelo. Si el suelo no tiene agua, el valor analógico emitido por el sensor disminuirá, de lo contrario, aumentará. Se puede utilizar este sensor para hacer un dispositivo de riego automático, puede detectar si las plantas “tienen sed” y evitar que se marchiten. El sensor se configura con dos sondas insertadas en el suelo, cuando la corriente atraviesa el suelo, el sensor obtendrá valor de resistencia al leer los cambios actuales entre las dos sondas y convertir dicho valor de resistencia en contenido de humedad. Cuanto mayor sea la humedad (menos resistencia), mayor será la conductividad del suelo. La corriente de trabajo del sensor es menor de 20mA. El voltaje de salida es de 0 a 2,3V (Cuando el sensor está totalmente sumergido en agua, el voltaje será 2,3V).

Sensor de humedad.

Este sensor analógico está diseñado para identificar y detectar la presencia de agua y su cantidad. Puede servir para detectar el nivel de agua, para disparar una alarma en caso de una fuga de agua, también para hacer un limpiapalabrisas automático.... puedes ver un ejemplo de uso en el curso de Domótica con Arduino

Mide el volumen de agua caída a través de una serie de rastros de cables paralelos expuestos.

Sensor de efecto Hall.

Este es un sensor de inducción magnética. Detecta los materiales magnéticos dentro de un rango de detección de hasta 3 cm. El  rango de detección y la fuerza del campo magnético son proporcionales. La salida es digital.

Sensor Hall.                              Edwin Helber Hall De Desconocido - Popular Science Monthly Volume 64, Dominio público

Edwin Helbert Hall descubrió en 1879 que en presencia de un campo magnético, un conductor que conduzca una corriente se le producía un campo eléctrico porque las cargas eléctricas se desviaban de su trayectoria principal, nuestro sensor simplemente mide ese campo eléctrico:

De Luis Llamas CC-BY-NC

El sensor tiene un led de color rojo que indica que hay una lectura de campo magnético.

Un ejemplo de uso lo puedes ver aquí: medir rocas magnéticas con el Rover con Arduino

Sensor inclinación

Este sensor funciona al hacerle vibrar, emitiendo una señal digital de todo o nada. El módulo del sensor viene provisto de un potenciómetro para poder regularlo.

Sensor de golpe

Es un sensor digital que al ser golpeado este sensor envía una señal momentánea.

Sensor de pulso cardíaco.

Este módulo utiliza un LED infrarrojo (IR) ultrabrillante y un fototransistor para detectar el pulso en el dedo. Principio de funcionamiento: Se debe colocar el dedo entre el LED infrarrojo ultrabrillante (parte superior) mientras que el fototransistor, que queda en el otro lado, recoge la cantidad de luz transmitida. La resistencia del fototransistor variará levemente a medida que la sangre pase a través de su dedo.

Sensor de Alcohol.

Este sensor de gas analógico MQ-3 es adecuado para detectar alcohol. Se puede usar en un analizador de aliento. También tiene una alta sensibilidad al alcohol y baja sensibilidad a la bencina (éter de petróleo). La sensibilidad se puede ajustar con el potenciómetro.

Sensor de Gas (MQ2).

Este sensor analógico de gas MQ-2 se utiliza en equipos de detección de fugas de gas en electrónica de consumo y mercados industriales. Este sensor es adecuado para detectar GLP, I-butano, propano, metano, alcohol, hidrógeno y humo. Tiene alta sensibilidad y respuesta rápida. La sensibilidad se puede ajustar girando el potenciómetro.

Esta sección está adaptado de este enlace. José Andrés Echevarría @cantabRobots CC-BY-NC-SA

Resistencia Flex

Es una resistencia que cuanto más se dobla más resistencia ofrece, desde 25k hasta 125k

Para utilizar esta resistencia haremos un DIVISOR DE TENSIÓN que consistirá en poner dos resistencias en serie y repartirá la tensión total entre 0V y 5V en las dos resistencias, el punto medio será un punto que tendrá una tensión variable en función de las dos resistencias, como la es variable, esa tensión es variable y ya tenemos la entrada analógica:

Es decir:

• La resistencia entre masa GND del ARDUINO (cable negro) y un punto en la placa protoboard
• ese punto medio conectarlo a una entrada analógica, por ejemplo A0 (cable amarillo)
• Una resistencia de valor parecida a la Flex de decenas de K entre ese punto y +5V (cable rojo en la foto)

Este sensor tiene posibilidades para usarlo en "ropa inteligente".

Sensor de movimiento con Microondas

Tradicionalmente se utilizan sensores PIR de infrarrojos para detectar el movimiento, pero personalmente veo que tienen falsos positivos y negativos, si quieres utilizarlos, te recomendamos esta página de Luis LLamas 

Personalmente prefiero los sensores de microondas. Son un radar que por efecto Doppler pueden captar cualquier objeto en movimiento dentro de un alcance de 5-7 metros en cualquier dirección e independiente de su temperatura. Es un buen sensor para alarmas, activación de luz por presencia.... Curiosamente, su gran ventaja técnica es un gran inconveniente para usarlo en el aula, con cualquier movimiento se dispara. Para saber más ver la página de Luis Llamas

Su conexión es muy sencilla, es un detector digital que hay que alimentarlo como el resto de sensores.

Esta sección es una visión rápida de las posibles entradas del Arduino y está adaptado de este enlace. José Andrés Echevarría @cantabRobots CC-BY-NC-SA

Actuadores y otras salidas del Arduino

Esta página es un repaso rápido de las posibles salidas del Arduino

¿Qué es un actuador?

Un actuador es el nombre genérico que empleamos para cualquier dispositivo capaz de realizar acciones en el mundo físico y que podremos controlar desde un autómata o procesador como Arduino. En particular, usamos el nombre actuador para los dispositivos que son capaces de generar movimiento.   Luis LLamas CC-BY-NC-SA

ACTUADORES                                                                                                   

Motores

Con el Arduino podemos usar motores de corriente continua de juguete como en la figura, aptos para poner un ventilador y afines por su alta velocidad de rotación, pero lo normal en la robótica con Arduino es utilizar motores con reductoras para bajar las revoluciones como el motor amarillo :

Si quieres usar un motor, no se puede conectar directamente al Arduino (al menos de que sea de muy baja potencia) necesita una alimentación extra, como el LM298N y las pilas., o el B6612FNG o una shield específica.

CC-BY-NC Luis Llamas

Ejemplos de uso lo puedes ver en 

• Curso mClon con nanoArduino con el  B6612FNG 
• Curso Rover con Arduino con la shield L293D ESP-12E para el NODE MCU que internamente tiene el LM298N
• Curso Arduino con código con LM298N y también con un transistor

Los motores pueden (y deben) de estar conectados a salidas PWM de tal manera que se pueda regular la potencia y por lo tanto la velocidad.

Servos

Un servo convencional es un motor donde fijamos el ángulo desde 0º a 180º, pero si queremos una rotación, existen servos rotatorios que simplemente tienen su velocidad de rotación controlada

Ejemplos de uso de servos:

• Curso Arduino con código
• Curso brazo robótico del mClon con nanoArduino
• Apertura de barrera por ultrasonidos en curso Arduino con ArduinoBlocks
• Tractor entrando en el corral Arduino con EchidnaShield
• Apertura de puerta Domótica con Arduino

Electroimán

El electroimán no se puede conectar directamente, utilizaremos una etapa de potencia, por ejemplo el transistor el IRF520N que amplifique la señal del Arduino, pues las salidas de Arduino no tienen potencia para mover el electroimán

Para dar esa potencia utilizaremos otra fuente externa, unas pilas:

Las conexiones son :

• SIG del IRF520N a una salida digital por ejemplo D13
• VCC del IRF5020N al 5V del ARDUINO
• Los dos GND del IRF520N a GND del ARDUINO
• V+ y V- del IRF5020N al solenoide, da igual qué cable pues no tiene polaridad.
• VIN del IRF520N al VIN del ARDUINO (son los voltios de la pilas)

Motor paso a paso

Igual que el electroimán, necesitamos un controlador que nos de la potencia necesaria para mover el motor, el ULN2003

Imagen BY-NC-SA de Luis Llamas

También igual que el electroimán, necesitamos una potencia extra con las pilas:

Conexión :

• Cuatro pines digitales del ARDUINO al IN1,IN2,IN3,IN4 del ULN2003 por ejemplo D10,D11,D12,D13
• El conector blanco del ULN2003 al motor paso a paso
• El (+) del ULN2003 al Vin del ARDUINO
• El (-) del ULN2003 al GND del ARDUINO

La configuración más sencilla es la rotación simple en sentido horario (llamada fase1) :

Imagen BY-NC-SA de Luis Llamas

Es decir:

Paso	IN1=D10	IN2=D11	IN3=D12	IN4=D13
Paso 1	ON	OFF	OFF	OFF
Paso 2	OFF	ON	OFF	OFF
Paso 3	OFF	OFF	ON	OFF
Paso 4	OFF	OFF	OFF	ON

Si has entendido este ejemplo serás capaz de realizar las configuraciones que desees.

OTRAS SALIDAS                                                                                              

No son actuadores pues no representan movimiento pero son también salidas del Arduino como los actuadores, luego lo vemos en esta página

Buzzer activo

Reproduce un tono de una frecuencia determinada por el fabricante cuando recibe un '1' digital. Su conexión es muy simple:

• GND a GND y VCC a 5V (ojo que están a los dos extremos, marcados en rojo y en negro)
• OUT o también señalado como I/O a un pin digital, por ejemplo D13

Ejemplos de uso:

• Domótica con Arduino: Apertura puerta con mBlock
• Domótica con Arduino Apertura puerta con código

Buzzer pasivo

La diferencia de un buzzer activo con el pasivo es que el pasivo hay que mandar la onda que se tiene que reproducir, como Arduino no puede reproducir onda puras (senoidales analógicas), se le envía ondas cuadradas con la frecuencia que se pretende reproducir. Como se puede ver en la figura, no tiene elementos auxiliares para reproducir un tono, es simplemente un altavoz.

Ejemplos de uso

• Timbre Arduino con Echidna
• Arduino blocks en el aula

Leds y otros elementos visualizadores                                                    

Led normal

Un diodo es la unión de dos semiconductores P-N que sólo permite la corriente en un sentido. Un diodo LED es un diodo, que al pasar esta corriente emite una luz. Hay de 3mm y de 5mm de grosor, transparentes, traslúcidos y de colores (realmente son traslúcidos tintados)

Tenemos pues que respetar su polaridad para que funcione:

Fuente Luis LLamas CC-BY-NC Encender LED con Arduino

Si alimentamos el LED con una tensión inferior a su tensión de polarización directa Vd ±1,4V-3,8V el led no luce. si alimentamos con una tensión superior, la corriente que circula se dispara por lo que se rompe. Conclusión: Hay que poner una resistencia limitante. Para calcularla te recomiendo la página de Luis Llamas  Encender LED con Arduino

Aquí puedes ver un ejemplo de semáforo en el curso Arduino con código

Se puede conectar directamente pues las salidas de Arduino tienen una limitación interna de 20mA como en este ejemplo https://www.youtube.com/watch?v=EFFSLvIF9rY

Los LEDS igual que los motores pueden se encendidos o todo o nada con salidas digitales 0 y 1 o salidas PWM de esta manera conseguimos luminosidades medias, en esta práctica con el potenciómetro se regula la intensidad de la luz de un LED

Led RGB

Se trata de un encapsulado que integra 3 leds de los tres colores básicos. Cada color básico se puede regular desde 0 a 255 de intensidad, luego tenemos 16 millones de tonalidades diferentes.

Un ejemplo de su uso lo puedes ver en

• Domótica con Arduino, interruptor crepuscular
• Intermitente RGB en Arduino con ArduinoBlocks

Existen LEDS RGB que se comunican unos a otros, (ver este ejemplo en el curso mClon) como las tiras de leds RGB que cambian de color todos simultáneamente.

Neopixel

La cinta LED RGB se basa en el chip controlador WS2812B de Neopixel con el cual podemos tener el control de cada pixel y de cada color, ya sea rojo, verde y azul a través de un solo cable de datos. 

Ver esta página de Luis LLamas Conectar Arduino con tiras led

    

Láser

El diodo láser es un elemento motivador, barato y fácil de usar con el Arduino pues se activa digitalmente, si enviamos un 1 emite un rayo láser. Un ejemplo de uso lo puedes ver en la Alarma por láser en Domótica con Arduino

Si quieres saber más de este componente, te recomendamos esta página de Luis Llamas.

Si tienes que comprar uno, es importante que no sea superior a 5mW, pues puede dañar permanentemente la retina del ojo [+info].
El modelo que proponemos es de 1mW, no obstante, EVITA SIEMPRE QUE EL LÁSER APUNTE A LOS OJOS especialmente con niños.

Display LCD

Si queremos visualizar datos de forma independiente del ordenador, existen matrices de led que puedes ver en los cursos de mBot o mClon pero lo mejor es una pantalla Liquid Crystal Display y la mejor forma de conectarl esta interfaz es en serrie (utilizando el protocolo I2C.)

Ejemplo de uso :

• en Arduino con código
• Arduinoblocks en el aula

CC-BY-SA Luis Llamas

No confundas Display LCD con matriz de LEDs , o una OLED

Aclarando conceptos: Lógica invertida                                                                                   

Igual que vimos en sensores, con las configuraciones Pull up y Pull down, las salidas de cualquier actuador PUEDEN SER LÓGICA INVERTIDA, mira en este NodeMCU (básicamente es un Arduino con wifi, aquí está conectado con el servidor Blynk) como funciona al revés, cuando apretamos, por lo tanto enviamos un uno a la salida, se apaga la salida !!

¿Qué es EchidnaShield?

Ahora sí: ¿Qué es Echidna?

Es una Shield de Arduino diseñada para facilitar la programación del Arduino en los últimos cursos de primaria y primeros de secundaria, pensado en minimizar el cableado de la electrónica (ya lo sabemos pues es una Shield) y enfocado a nivel educativo y al lenguaje por símbolos

¿Por qué hemos elegido esta Shield?  Porque tiene un buen equilibrio calidad/precio sencillez/potencial orientado a últimos cursos de primaria, primeros de secundaria:

• Es OpenHardware, por lo tanto es un proyecto con garantías de estabilidad, libre, colaborativo y vivo, con la misma filosofía que la placa Arduino.

Source: Web oficial Echidna- documentación

• Salidas acertadas:
  • Diodos Red D13, Orange D12 y Green D11.
  • Diodo de 3 colores RGB gobernados por D9, D5 y D6 respectivamente.
  • Audio en D10.
• Entradas o sensores acertados:
  • Joystick (estupendo para hacer proyectos atractivos) xy con A0 y A1
  • Acelerómetro (idem) xy en A2 y A3
  • Luz LDR en A5
  • Botones digitales D2 y D3
• Es MakeyMakey: ¡Dos Shields en una!: Sensores y MakeyMakey por lo tanto da más potencial a nuestros proyectos.(Tenemos un curso de Makey Makey)
• Conexión a periféricos:
  • Bluetooth que da más potencial a nuestros proyectos.
  • Tiene pines para conexión de otros elementos como relés pero no pueden pasar de 300mA para más potencia es mejor utilizar Shield adaptados para ello como Edubásica.

Te recomendamos visitar
- https://echidna.es/

Twitter :
- https://x.com/EchidnaSTEAM?s=20

¿Estás preparado? adelante !!!

Cómo se programa Echidna Shield

Tenemos dos opciones:

• Programación mediante lenguajes gráficos: símbolos, gráficos… tipo Scratch
  • Ventajas: Mucho más sencillo e intuitivo, ideal para principiantes en programación como es nuestro caso entre primaria y secundaria.
  • Inconvenientes: No se llega a aprovechar todas las posibilidades del Arduino.
  • Programas: Snap4Arduino, mBlock, ArduinoBlocks, Bitbloq, S4A...
• Programación mediante código:
  • Ventaja: Se aprovecha todo el potencial de programación, puesto que se controla todas las variables
  • Inconvenientes: Como toda programación en código, tiene su dificultad y abstracción.
  • Programas: ArduinoIDE.

Cómo este curso trata del Echidna, que es una shield sencilla, nos decantamos por la programación mediante lenguajes gráficos, no obstante vas a ver las diferencias en el siguiente apartado.

Vamos a enseñarte tres formas de hacer un mismo programa: Un semáforo

Nota: Acuerdate en toda esta sección de poner la Echidna en modo Sensor

MONTAJE 1 SEMÁFORO con mBlock

PRIMERO QUÉ ES MBLOCK

Es un programa propietario de la empresa MakeBlock basado en Scratch 2.0 Open Software para sus robots.

Aunque la anterior definición hace pensar que es un programa que no nos interesa, todo lo contrario, pues los robots de Makeblock están basados en Arduino por lo tanto se programa realmente el corazón de Arduino.

Que sea un software propietario, tampoco nos tiene que echar para atrás, pues es gratuito, multiplataforma y nos asegura el mantenimiento y las actualizaciones.

Su página de descarga es http://www.mblock.cc/

SEGUNDO LA CONFIGURACIÓN DE MBLOCK

Es importante seguir el orden de los pasos:

TERCERO VER EL EJEMPLO DEL SEMÁFORO Y ECHIDNA

Ponemos este programa con la Echidna y en mBlock hemos cambiado el disfraz del oso panda por tres círculos con tres disfraces, y el programa del objeto semáforo es

El programa en el objeto Arduino es el siguente

 

Todo el proyecto esta en https://planet.mblock.cc/project/3228189

Y este es el resultado: Video 

Nota, esta realizado con mBlock3.0 que no era necesario enviar mensajes entre objetos y el arduino

MONTAJE 1 SEMÁFORO con Snap4Arduino

PRIMERO QUÉ ES SNAP4ARDUINO

Es también un programa gráfico basado en Scratch, multiplataforma, libre y abierto y permite muchas versiones de placa, bibliotecas, etc… Es la evolución del S4A

Usa el firmware standard Firmata. ¿Y qué es un firmware ? Es un programa que se graba y se ejecuta en una placa hardware. En el caso del firmware Firmata, hay que instalarlo en el Arduino para que se comunique con Snap4Arduino. (en mBlock también hay un firmware pero está contenido en el propio mBlock y se instala cuando le damos a Conectar-Actualizar Firmware)

Si todo esto del firmware no lo entiendes del todo, no pasa nada, son los pasos que se explican en apartado de la configuración. No es necesario para programar, pero si lo entiendes, mejor.

El programa se puede descargar de su web http://snap4arduino.rocks/

En principio es la aplicación más acorde con la filosofía de la Shield Echidna.

SEGUNDO LA CONFIGURACIÓN DE SNAP4ARDUINO

En esta presentación se enseña COMO CONFIGURAR SNAP4ARDUINO para que se comunique con nuestro Arduino y la Echidna

TERCERO EL EJEMPLO SEMÁFORO CON ECHIDNA

El programa es el mismo que el anterior, con los mismos disfraces y se puede abrir desde Snap4Arduino desde esta URL

El resultado es este vídeo

MONTAJE 1 SEMÁFORO mediante código

MONTAJE 1 SEMÁFORO MEDIANTE CÓDIGO

PRIMERO QUÉ ES "MEDIANTE CODIGO"

Es la forma de trabajar de forma profesional el Arduino: con su lenguaje código, en realidad, los otros lenguajes traducen el programa gráfico en lenguaje código Arduino, es decir son meros intermediarios.

El programa se puede descargar de su web oficial, aunque también hay una versión online https://www.arduino.cc/

SEGUNDO LA CONFIGURACIÓN

Aquí no hay que instalar ningún Firmware, pues el código, o sea tú programa, es el mismo “firmware”. Digamos que no necesitas intermediarios si tratas con el agricultor ;)

TERCERO EL EJEMPLO SEMÁFORO CON CÓDIGO

Aquí es donde vemos que la programación no es apropiada para Primaria, y la explicación de cada línea necesitaría un curso entero, como éste, pero si eres un poco pito seguro que eres capaz de leerlo intuitivamente sin problemas.

/* Semáforo Arduino
  Leds conectados a pines 11,12,13 = EchidnaShield */
int verde = 11;
int amarillo = 12;
int rojo = 13;

void setup()
{
 pinMode(verde, OUTPUT);
 pinMode(amarillo, OUTPUT);
 pinMode(rojo, OUTPUT);
 Serial.begin(9600); //inicializa la comunicación Serial
}

void loop()
{
 Serial.println("Semaforo - Inicio"); //Escribe el texto 
 digitalWrite(verde, HIGH);
 Serial.println("Semaforo - Verde"); //Escribe el texto
 delay(2000);
 digitalWrite(verde, LOW);
 digitalWrite(amarillo, HIGH);
 Serial.println("Semaforo - Amarillo"); //Escribe texto
 delay(1000);
 digitalWrite(amarillo, LOW);
 digitalWrite(rojo, HIGH);
 Serial.println("Semaforo - Rojo"); //Escribe el texto
 delay(2000);
 digitalWrite(rojo, LOW);
}

Este programa se escribe (o copia y pega ¡es un texto !!) en el software del Arduino y se carga en la placa, en el vídeo se ve muy bien:

Desventaja

En este programa queremos que te fijes en una desventaja: La interacción con el ordenador se pierde frente a mBlock y Snap4Arduino:

• En los lenguajes gráficos, tenemos a interacción con el ordenador igual que en Scratch: si te fijas en la pantalla el dibujo del semáforo va cambiando de disfraz para representar los colores de la luz que se enciende a la vez que en el Arduino.
• En un programa grabado en el Arduino perdemos esa interacción, lo máximo que podemos visualizar es una ventana donde se representa en formato texto qué es lo que le está pasando al Arduino (en el ejemplo del semáforo sale "Semáforo - Verde, Semáforo- Rojo ….").

Esto lo vemos como una desventaja desde el punto de vista de la enseñanza de la programación pues perdemos el potencial de interactuar con los elementos del ordenador crear personajes, disfraces, sonidos, teclado…, es decir el sprite (el oso panda que aparece por defecto en mBlock, la flecha que aparece por defecto en Snap4Arduino o el que nosotros creamos, como este ejemplo el dibujo del semáforo).

Ventaja

Pero… (siempre hay un “pero” para estropear la fiesta) la programación en código tiene una ventaja: Se graba en el Arduino, no hay ningún intermediario entre nuestro programa y el Arduino (en mBlock y Snap está el ordenador), quien manda en el Arduino es nuestro programa, no nuestro ordenador, esto se traduce en: rapidez !, en mBlock veremos que podemos grabar nuestro programa en Arduino, pero perdemos la interacción con el sprite, como lo veremos más adelante.

Conclusión

Profesionalmente es mejor utilizar lenguaje con código pero en la enseñanza es mejor el lenguaje gráfico. Lo hemos visto en el apartado ¿Cómo se programa Echidna?. Es una Shield Educativa, y lo lógico es utilizar un lenguaje adaptado al nivel educativo: Gráfico. Pero … ¿cual?

mBlock vs Snap4Arduino ¿cuál es el mejor?

Conclusión: mejor el lenguaje gráfico

¿Pero cual? Siempre es mejor moverse en estándares, y actualmente el lenguaje gráfico que está más extendido y donde hay más proyectos es Scratch, luego vamos a centrarnos en dos programas que se basan en Scratch: mBlock y Snap pero ¿cual es mejor? Snap4Arduino o mBock

via GIPHY

Instrucciones específicas para Arduino

Si entramos en la sección de instrucciones específicas para Arduino, en Snap4Arduino sólo tenemos las instrucciones básicas simples, a partir de estas piezas tienes que hacer el puzzle. Mientras que en mBlock tenemos más instrucciones que nos simplifican los programas pues la misma instrucción implican varias de las simples básicas:

Esto parece una tontería pero no lo es: por ejemplo, supongamos que queremos reproducir el tono C4 es más o menos 262Hz:

Luego tiempo que dura la onda es =1/262 = 0.0038 segundos es decir el tiempo de “encendido HIGH” es 0.0038/2= 0.0019seg y el tiempo de “apagado LOW” es 0.0035/2= 0.0019seg.

o sea… que para hacer esta instrucción en mBlock

necesitas hacer todo esto en Snap4Arduino :

Importación de librerías

Snap4Arduino puede importar instrucciones o librerías que pueden aumentar el repertorio de instrucciones.

mBlock también tiene en Extensiones-Administrar extensiones pero no son tan específicas para el Arduino.

Librería propia para Echidna

Snap4Arduino al ser un software libre, estará siempre ligado a los prototipos que se lancen en hardware libre, y en este caso lo tenemos

Reutilizar proyectos desde Scratch

Si vemos un proyecto en Scratch que nos gusta y lo queremos reutilizar lo descargamos y si lo queremos reutilizar...

En mBlock lo podemos abrir, pero no siempre va bien.

En Snap4Arduino no acepta ficheros Scratch, pero hay conversores online como Snapin8r, y también da problemas.

Conclusión: tortazo a los dos!!

Entorno amigable

En Snap4Arduino no existe un menú arriba, las opciones no se encuentran tan inmediatamente

Mientras que en mBlock es más intuitivo:

Importante CARGAR A ARDUINO

En mBlock podemos poner la vista de Modo Arduino Y NOS MUESTRA NUESTRO PROGRAMA ESCRITO EN LENGUAJE GRAFICO CONVERTIDO A LENGUAJE CÓDIGO

Esto nos permite SUBIR AL ARDUINO es decir, nuestro programa grabarlo en el Arduino como si fuera un Firmware y ganar velocidad aquí tienes una captura y puedes observar cómo traduce el programa gráfico en código:

QUEREMOS EXPLICARTE LO IMPORTANTE QUE ES ESTO El anterior programa funciona bien si lo hacemos subir al Arduino, pero si lo hacemos de forma normal (cambiamos el evento “Programa Arduino” por evento bandera):

NO FUNCIONA BIEN

¿por qué?: por la lentitud.

Si apretamos el pulsador 2 le pedimos al ordenador que encienda y apague D10 a una velocidad de 0.00175 segundos esto lo tiene que procesar el ordenador, pasa por el cuello de botella del puerto serie y al final se ejecuta en el Arduino a una velocidad mucho más baja, más o menos 0.5 segundos, en vez de oirse un tono, se oye tut,tut,tut,tut….

Si apretamos el pulsador 3 sí que se oye bien, porque mBlock manda el código del bucle de golpe para que se oiga bien.

Volveremos a este programa varias veces, no te preocupes si no lo has entendido del todo bien.

Desventajas de subir un programa al Arduino:

1. NO PODEMOS INTERACTUAR CON EL ORDENADOR es decir, no podemos hacer que el sprite (el oso por defecto) se mueva o que al pulsar una tecla del ordenador… porque EL ARDUINO ES INDEPENDIENTE DEL ORDENADOR, incluso podemos desconectarlo y sigue funcionando !!!
2. Nos hemos cargado el Firmware que tenía antes !! luego al finalizar tu programa, tenemos que volver a configurar el Arduino para que haga caso al programa mBlock visto en esta presentación.

Ventajas de subir un programa al Arduino:

1. Rapidez, tenemos la ventaja del lenguaje con código, el programa se ejecuta a la velocidad del Arduino sin tener el ordenador como intermediario.
2. Independencia: Alimentamos el arduino con una batería ¡¡ y funciona !! esto es esencial para proyectos que impliquen movimiento y no queramos tener el ordenador encendido para que funcione.

Aunque...: Rapidez en la simulación

Aunque Snap4Arduino no sube el programa, sólo simula, es mucho más rápido en la simulación que mBlock

En este apartado veremos las diferencias.

Estan algo reñidos, pero le vamos a dar el premio a mBlock por dos razones

• Subir al Arduino
• Entorno amigable

Todo es cuestión de gustos, las capturas y descargas de programas de este curso serán en mBlock, pero algunas veces utilizaremos Snap4Arduino cuando nos interesa rapidez en la simulación,.

Programación en mBlock

mBlock es un programa especializado en el manejo de los robots de Makeblock (ver cursos de mBot en Aularagon), estos robots al principio estaban basados en Arduino por lo tanto este programa permitía programar Arduino. Actualmente permiten muchas arquitecturas de placas.

Se puede descargar gratuitamente en https://www.mblock.cc/en/download/, actualmente esta la versión 5, aunque verás que algunos vídeos de este curso enseñan la versión 3 pero las capturas se realizan en la versión actual

Dos formas de programar mBlock

OPCIÓN Programación en vivo

mBlock (y los otros S4A, Snap4Arduino... también) permite la programación en vivo Es decir, que el programa reside en el ordenador, y en la placa hay instalado un Firmware para ir escuchando y ejecutando lo que manda el ordenador. 

• VENTAJAS
  • Te permite interactuar el Arduino y el ordenador, por ejemplo podemos hacer que cuando el detector de humedad detecte agua, que salga por pantalla un fondo acuático, o que pulsando una tecla del teclado se encienda un LED en la placa...
• DESVENTAJAS
  • hay que cargar dentro del Arduino el Firmware exclusivo de mBlock para que Arduino haga caso a mBlock
  • Hay que tener nuestro ordenador como intermediario, se come los recursos y puede que nuestro programa ne la placa vaya lento
  • Por supuesto necesita tener ordenador conectado al Arduino, o sea, trabaja como un esclavo del ordenador.

OPCIÓN Programación cargar a la placa

Todos los programas editores de Arduino (tanto los que programan con código como el Arduino IDE) como los editores de programas gráficos en bloque (mBlock, Snap4Arduino, Arduinoblocks, ...) permiten cargar el programa en la placa.  Las ventajas y desventajas son las opuestas de trabajar en vivo.

MÉTODOS PARA INTERACTUAR CON LOS OBJETOS

En mBlock 3.0 la comunicación era inmediata, fíjate en este script de una alarma:

Mezcla en el mismo script:

• órdenes específicas de la placa arduino (set digital...)
• órdenes específicas del objeto que exista en mBlock (por defecto el oso panda) say .... switch costume to ....
• órdenes del fondo switch backdrop to ...

Con mBlock 5.0 YA NO SE PUEDE, pero tenemos unos trucos

MÉTODO UTILIZAR VARIABLES GLOBALES                                                                          

Se pueden crear variables, en cualquier objeto, y las lee cualquier objeto,

Este método se utiliza con la opción EN VIVO

De esta manera si creamos una variable frase para todos los objetos:

Podemos usarla en el robot

y el programa del objeto que queramos, en este caso el oso panda lo puede visualizar

MÉTODO UTILIZAR MENSAJES                                                                                  

Cualquier objeto tiene a su disposición enviar mensajes a los otros

Este método se utiliza con la opción EN VIVO

MÉTODO EXTENSIÓN BROADCAST = TRANSMITIR MENSAJES                                  

Es parecido al anterior, hay que ir al + que hay abajo para instalar extensiones

Buscar la extensión "Broadcast" e instalarla 

Se instala primero descargándola con el + aquí

Y luego añadir una vez descargada

Entonces aparecen unas nuevas instrucciones

Este método se utiliza con la opción EN CARGA

y se instalan unas instrucciones extras parecidas a las anteriores pero más potentes

• En el mismo mensaje podemos transmitir valores asociados
• Funciona EN MODO CARGA
  • Esto es muy útil pues hay instrucciones que sólo se pueden utilizar en modo CARGA, de esta manera podemos pasar valores de la placa electrónica a los objetos del ordenador (oso panda o lo que sea) simplemente teniendo conectado la placa con el ordenador.

El resto de objetos trabajan en modo vivo, es decir, si cambias un bloque, automáticamente se ven los efectos

A lo otros objetos TAMBIÉN hay que instalar la extensión BROADCAST

DESVENTAJA no se pueden transmitir mensajes de objetos a la placa. Sólo de la placa a los objetos

Otros

Existen otros programas gráficos, el ArduinoBlocks, Bitblock… pero no tienen la posibilidad de iteraccionar con Sprites del ordenador, ni tienen el mismo entorno del referente Scratch, por lo que no se utilizarán en este curso, pero son posibilidades interesantes, os mostramos dos capturas de pantalla del mismo programa semáforo visto anteriormente, fíjate que aquí no hay Sprite:

Con Bitbloq:

Con ArduinoBlocks:

Y un favorito nuestro el VISUALINO pues a la vez que haces programación gráfica, va enseñando el código a la derecha:

Alimentación del Echidna

Alimentación USB:

El Echidna normalmente se alimenta a través de la alimentación USB del Arduino, ya sea cuando está conectado con el ordenador, o cuando se utiliza un PowerBank por ejemplo, o cargador de móvil (esto ocurre cuando Arduino tiene el programa grabado en él y puede vivir sin el ordenador).

Lo que hay que hacer es que el jumper que tiene arriba a la izquierda tenerlo conectado a 5V:

No utilizar la alimentación 5V cuando los servos o dispositivos a controlar consuman más de 300mA, para no sobrepasar el regulador del Arduino, en este caso utilizar la alimentación externa:

Alimentacion externa:

Arduino se puede alimentar con un portapilas o fuente de alimentación, sin ningún problema, con un rango desde 9V hasta 12V.

Pero hay que decirle al Echidna que la alimentación no es por 5V sino por Vin, pues el Arduino también se alimenta por Vin, esto se hace cambiando el jumper:

Nota:

Es posible que en ocasiones nos interese utilizar las dos alimentaciones a la vez, por ejemplo queremos usar el Arduino dependiendo del ordenador, porque queremos por ejemplo que interactue con el Sprite oso panda del mBlock (por lo tanto está conectado al cable USB) pero las extensiones que queremos conectar necesitan potencia (más de 300mA) por lo tanto conectamos también un portapilas o fuente de alimentación, así pues estamos obligados de decirle al Echidna que alimente las extensiones por Vin cambiando el jumper a Vin.

Kit de préstamo en CATEDU

Para hacer este curso te hemos preparado este kit de préstamo, donde tienes todo lo necesario para realizar este tutorial, menos unas bananas para hacer un piano :)

 

Ahora déjate de teorías, y vamos a jugar !!