ARDUINO Y SENSORES

 1.

ARDUINO UNO

Potencia - USB (1) / Conector de Adaptador (2)

Cada placa Arduino necesita una forma de estar alimentado electricamente. Esta puede ser alimentado desde un cable USB que viene de su ordenador o un cable de corriente eléctrica con su respectivo adaptador. La conexión USB es también cómo va a cargar código en su placa Arduino.

NO utilice una fuente de alimentación superior a 20 voltios, ya que se puede dañar la placa Arduino. La tensión recomendada para la mayoría de los modelos de Arduino es de entre 6 y 12 voltios.

Pines (5V, 3.3V, GND, Analog, Digital, PWM, AREF)

Los pines en la placa Arduino es donde se conectan los cables de un circuito. El Arduino tiene varios tipos diferentes de entradas, cada uno de las cuales está marcado en el tablero y utilizan para diferentes funciones:

• GND (3): Abreviatura de "tierra" (en Ingles). Hay varios pines GND en el Arduino, cualquiera de los cuales pueden ser utilizados para conectar a tierra el circuito.

• 5V (4) y 3.3V (5): Son los suministros pin 5V 5 voltios de energía, y los suministros de pin 3.3V 3.3 voltios de potencia.

• Analógico (6): El área de pines en el marco del 'analógica' etiqueta (A0 a A5) son analógicas. Estos pines pueden leer la señal de un sensor analógico (como un sensor de temperatura) y convertirlo en un valor digital que podemos leer.

• Digital (7): Son los pines digitales (del 0 al 13). Estos pines se pueden utilizar tanto para la entrada digital (como decir, si se oprime un botón) y salida digital (como encender un LED).

• PWM (8): Usted puede haber notado la tilde (~) al lado de algunos de los pines digitales (3, 5, 6, 9, 10 y 11). Estos pines actúan como pines digitales normales, pero también se pueden usar para algo llamado Modulación por ancho de pulsos (PWM, por sus siglas en Ingles).

• AREF (9): Soportes de referencia analógica. La mayoría de las veces se puede dejar este pin solo. A veces se utiliza para establecer una tensión de referencia externa (entre 0 y 5 voltios) como el límite superior para los pines de entrada analógica.

Botón de reinicio (10)

Empujando este botón se conectará temporalmente el pin de reset a tierra y reinicie cualquier código que se carga en el Arduino. Esto puede ser muy útil si el código no se repite, pero quiere probarlo varias veces.

Indicador LED de alimentación (11)

Este LED debe encenderse cada vez que conecte la placa Arduino a una toma eléctrica. Si esta luz no se enciende, hay una buena probabilidad de que algo anda mal.

LEDs RX TX (12)

TX es la abreviatura de transmisión, RX es la abreviatura de recibir. Estas marcas aparecen un poco en la electrónica para indicar los pasadores responsables de la comunicación en serie. En nuestro caso, hay dos lugares en la Arduino UNO donde aparecen TX y RX - una vez por pines digitales 0 y 1, y por segunda vez junto a los indicadores LED de TX y RX (12). Estos LEDs nos darán algunas buenas indicaciones visuales siempre nuestro Arduino está recibiendo o transmitiendo datos (como cuando nos estamos cargando un nuevo programa en el tablero).

Microcontrolador (13)

Lo negro con todas las patas de metal es un circuito integrado (IC, por sus siglas en Ingles). Piense en ello como el cerebro de nuestro Arduino. La principal IC en el Arduino es ligeramente diferente del tipo de placa a placa tipo, pero es por lo general de la línea de ATmega de CI de la empresa ATMEL. Esto puede ser importante, ya que puede necesitar para saber el tipo de IC (junto con su tipo de tarjeta) antes de cargar un nuevo programa desde el software de Arduino. Esta información se puede encontrar en la escritura en la parte superior de la IC. Si quieres saber más acerca de la diferencia entre diversos circuitos integrados, la lectura de las hojas de datos suele ser una buena idea.

Regulador de Voltaje (14)

Esto no es realmente algo que se puede (o debe) interactuar con el Arduino. Pero es potencialmente útil para saber que está ahí y para qué sirve. El regulador de voltaje hace exactamente lo que dice - que controla la cantidad de tensión que se deja en la placa Arduino. Piense en ello como una especie de guardián; se dará la espalda a una tensión adicional que podría dañar el circuito. Por supuesto, tiene sus límites, por lo que no conecta tu Arduino a nada superior a 20 voltios.

Fuente: fuente de información

ARDUINO NANO

El Arduino Nano rompe con la clásica distribución de pines utilizada por la mayoría de las placas Arduino. La razón es que al reducir el tamaño de la placa era imposible mantener la posición estándar de los pines.

Sin embargo, la nueva disposición ofrece una ventaja que no posee el Arduino UNO y sus semejantes: su facilidad de uso en placas de prototipo. 

En la figura se muestra un prototipo de alarma de temperatura (no te preocupes por el circuito, lo único que quiero es que te fijes en su tamaño reducido).

Si en lugar de un Arduino Nano se utilizara un Arduino UNO o un Arduino MEGA no podrías integrarlo dentro la protoboard. Sin contar que el resultado final sería incluso mayor.

En la siguiente figura puedes ver la distribución de pines del Arduino Nano.  

Pines digitales y analógicos

Arduino Nano cuenta con un total de 14 pines digitales de entrada/salida, de los cuales 6 pueden ser utilizados como salidas analógicas (utilizando señales PWM).

Cuenta con 8 entradas analógicas (dos más que el Arduino UNO) con una resolución de 10 bits (1024 posibles valores). Estos pines pueden ser utilizados como digitales en caso de no ser necesarios como analógicos.

La numeración de los pines analógicos utilizados como digitales en el Arduino Nano es del 14 al 21.

Puerto Serie

Los pines D0(TX) y D1(RX) corresponden al puerto Serial. Estos están conectados a la interfaz USB-Serie para permitir la comunicación entre la placa y el ordenador (esto te lo muestro más adelante cuando veamos el esquema). Claro que, si no son necesarios para la comunicación, pueden ser utilizados como pines digitales ordinarios.

Bus SPI

El Arduino Nano, al igual que el UNO, cuenta con un bus SPI en los pines D10(SS), D11(MOSI), D12(MISO) y D13(SCK). Al igual que el puerto Serie, si no es necesario utilizar el bus como tal, los pines pueden ser empleados como pines digitales ordinarios.

Como se observa en la figura, los pines del bus SPI también se encuentran en el conector ICSP que permite programar el microcontrolador utilizando un programador externo.

Bus I2C

También cuenta con un bus I2C en los pines A4 (SDA) y A5 (SCL). Es importante notar que estas entradas analógicas no pueden ser empleadas como tal cuando se utilice el bus I2C.

Pines de alimentación

Al igual que el Arduino UNO la placa Nano cuenta con pines de alimentación:

• 5V: este pin ofrece los 5 voltios estables con que es energizado el microcontrolador y el resto de los componentes en la placa.
• 3V3: ofrece un voltaje de 3.3 voltios. (La corriente máxima que se puede extraer de este pin es de 50 mA).
• VIN: permite alimentar la placa con un voltaje entre 6 y 20 voltios.
• GND: tierra de la placa

Arduino Nano esquema eléctrico

En la imagen superior se muestran señalados los componentes más significativos del Arduino Nano. Analicemos cada uno de ellos.

Regulador de Voltaje

Esta es la sección del esquemático del Arduino Nano con la etapa de alimentación.

El componente fundamental aquí es el regulador de voltaje LM1117IMPX-5.0. Si revisamos su hoja de datos podemos ver que se trata de un regulador de 5 voltios de tipo low dropout. 

Esto último significa que es capaz de ofrecer una salida regulada con un voltaje pequeño a su entrada (siempre mayor a 5V). El uso de este regulador es el que permite que el pin VIN pueda ser alimentado con un voltaje tan bajo como 6V.

Este regulador también posee un limitador de corriente para evitar una disipación excesiva de calor que puede llegar a dañar la placa.

El condensador C8 ayuda a estabilizar el voltaje a la salida del regulador. Aquí también se encuentra el LED de encendido (este LED se enciende cuando el Arduino es energizado correctamente).

En la propia imagen, a la izquierda, puedes notar que entre la salida del regulador (marcado como +5V) y el pin de alimentación del puerto USB (marcado como VUSB) hay un diodo (marcado como D1). Veamos primero una breve explicación de cómo funciona un diodo para saber cuál es su función dentro del Arduino Nano.

La característica principal de los diodos es que permiten el paso de la corriente en un sentido y lo bloquean en el otro. Su símbolo es similar a una flecha y su dirección indica hacia donde deja pasar la corriente.

Volviendo al esquema, el diodo D1 protege el puerto USB del ordenador cuando el Arduino está siendo energizado desde otra fuente. Y además, permite que cuando no exista otra fuente de alimentación este sea energizado desde el puerto USB.

Este componente hace que pueda salir una intensidad desde el ordenador pero evita que entre protegiendo así nuestra máquina.

Microcontrolador ATmega328P

El ATmega328P es el cerebro del Arduino Nano. Si echas un vistazo al esquema del Arduino Nano podrás ver que está conectado directamente a todos los pines digitales y analógicos.

Si realizas una rápida inspección a su hoja de datos comprobarás que muchas de las cualidades generales del Arduino Nano dependen de este microcontrolador:

• 32 kB de memoria Flash (espacio disponible para almacenar el sketch). 
• 2 kB de memoria SRAM (es donde se almacenan las variables declaradas en el sketch).
• 1 kB de memoria EEPROM (permite almacenar datos que se conserven aún ante un reinicio o falla en la alimentación).
• Frecuencia de CPU Máxima: 16MHz (esto lo veremos después).
• Voltaje de operación máximo: 6.0V (aunque se recomienda no sobrepasar los 5V).

2 kB de la memoria Flash son utilizados por el bootloader.

Para que el microcontrolador funcione correctamente son necesarios algunos componentes externos. Analicemos la imagen siguiente extraída del esquema eléctrico del Arduino Nano.

Podemos ver que se utiliza un cristal oscilador de 16 MHz. Este componente es el encargado de determinar la frecuencia con que el microcontrolador realiza las operaciones programadas. En este caso el microcontrolador realiza 16 millones de operaciones por segundo (16 MHz).

Hay tres condensadores conectados al pin VCC del microcontrolador. Estos condensadores ayudan a estabilizar el voltaje entregado por el regulador o el puerto USB.

Botón de Reinicio

El botón RESET está conectado al pin RESET del microcontrolador y por tanto permite reiniciar el microcontrolador. Esto significa que todo el código programado será ejecutado nuevamente, tal y como si el sistema se acabara de conectar a la alimentación.

Conector USB

A diferencia de otras placas como Arduino UNO y Arduino MEGA, el Arduino Nano utiliza un conector USB Mini-B. Este conector puede ser utilizado para alimentar y programar la placa utilizando un cable USB.

Interfaz USB-Serie de programación/comunicación

Como interfaz USB-Serie el Arduino Nano utiliza un chip FT232RL al contrario que el Arduino UNO o el Arduino MEGA que utilizan otro microcontrolador como ATmega16U2.

Analizando la hoja de datos del FT232RL vemos que es un chip muy versátil cuya principal función es operar como un adaptador USB-Serie.

La ventaja del chip FT232RL es que utiliza muy pocos componentes externos haciendo así la electrónica mucho más simple. Además, uno de sus pines es capaz de proporcionar 3,3V.

Algunos clones de Arduino Nano (la mayoría en realidad) utilizan el chip CH340. El Arduino Nano original utiliza el chip FT232RL. De aquí los problemas que pueden acarrear los clones a la hora de subir un programa a la memoria.

En el esquema eléctrico proporcionado por Arduino, podemos ver donde se conecta cada pin del FT232RL.

• Los pines TXD y RXD están conectados a los pines RX y TX del microcontrolador. Recuerda que estos son los utilizados para la comunicación.
• El pin DTR# se conecta al pin de RESET del microcontrolador mediante un condensador de 100nF. Esto permite que el microcontrolador pueda ser reiniciado desde el ordenador.
• Tanto en el pin CBUS0 como en CBUS1 se ha conectado un LED para indicar que se están transmitiendo o recibiendo datos.
• El pin 3V3OUT está conectado al pin 3V3 ya que este funciona como un regulador a ese voltaje.
• Los pines USBDM y USBDP se conectan a los pines D- y D+ del puerto USB.

LEDs

Aunque ya se han mencionado, te dejo un resumen de la funcionalidad de los LEDs presentes en la placa:

• LED ON: este LED está conectado a la salida del selector de voltaje, por lo tanto se enciende cuando la placa está siendo alimentada correctamente.
• LED Tx: pestañea cuando el Arduino transmite información al ordenador. Esto permite comprobar de forma simple si la placa está realmente transmitiendo información.
• LED Rx: pestañea cuando la placa recibe información del ordenador. De este modo se puede comprobar si realmente se está efectuando la comunicación.
• LED Integrado: este LED está conectado al pin digital 13 y es denotado como LED_BUILTIN. Para encenderlo/apagarlo es necesario poner este pin en un estado alto (HIGH)/bajo(LOW).

¿Cómo alimentar un Arduino Nano?

Existen tres opciones para alimentar una placa Arduino Nano:

1. Utilizando el puerto USB.
2. Utilizando los pines GND y VIN: esta opción requiere un voltaje entre los 7 y 12 volts.
3. Utilizando los pines GND y 5V: esta opción requiere un voltaje de 5V

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