ARDUINO a fondo… no te lo pierdas!!!

Configuración de un ATmega8A para hacerlo funcionar en un Arduino UNO. Si utilizas Arduino, te aconsejo que no te pierdas este artículo, porque encontrarás la información que necesitas para saber cómo funciona y esclarecer algunas dudas.

Contenido

Descripción comparativa entre el ATmega8A y el ATmega328P (capacidad de memoria, rango de tensiones, frecuencia máxima de trabajo). Configuración del IDE de Arduino (software de programación) y sus diferentes modos de funcionamiento. Convertir un Arduino UNO en programador ISP, cunstruyendo un ‘shield’ con zócalo de 28 pines, para programar cualquier ATmega compatible… y en el video final encontrarás las explicaciones, consejos y algunos trucos.

ATmega328P / ATmega8A

El microprocesador ATmega8A tiene una arquitectura muy parecida al ATmega328P, ambos son AVR, aunque existen algunas diferencias en cuanto a sus prestaciones.

El ATmega8A podría utilizarse en la placa de desarrollo de Arduino UNO en sustitución del ATmega328P, siempre que se tengan en cuenta sus limitaciones.

Ambos circuitos integrados son compatibles en cuanto a su encapsulado conexiones y funcionamiento, de hecho el ATmega8A es uno de los primeros microprocesadores que se empezaron a utilizar con Arduino. Antes de montar un ATmega8A en la placa de desarrollo Arduino UNO, habría que programar su Boot Loader, y colocarlo en el lugar adecuado de su memoria Flash.

Boot Loader

El Boot Loader es el mecanismo de auto programación que permite cargar y descargar el código del programa desde el propio micro controlador. Esta característica permite que las actualizaciones del software sean controladas por el propio micro controlador, y esto lo hace utilizando un pequeño programa de arranque, llamado Boot Loader… y este ocupa una pequeña parte de la memoria Flash.

El Boot Loader o cargador de arranque, puede utilizar cualquier interfaz de datos y protocolo para leer y escribir el código del programa, tanto el de la memoria Flash como el de la memoria de programa.

El código del programa alojado en la sección del Boot Loader tiene la capacidad de escribir en toda la Flash, incluido el propio gestor de arranque de memoria. O dicho de otra manera, el Boot Loader tiene la capacidad de modificarse y borrarse a sí mismo.

El tamaño de la memoria del Boot Loader se puede configurar mediante el estado de unos bits denominados ‘fusibles’, y dispone de dos conjuntos separados, aparte de los bits Boot Lock (bits de bloqueo), los cuales permiten seleccionar los diferentes niveles de protección del micro procesador.

Secciones de la memoria FLASH

La memoria flash está organizada en dos secciones principales, la sección de la aplicación y la sección del cargador de arranque. El tamaño de las diferentes secciones está configurado por los fusibles BOOTSZ. Estas dos secciones pueden tener diferentes niveles de protección, ya que tienen diferentes conjuntos de bits de bloqueo.

Sección de la aplicación

La sección de la aplicación se encuentra dentro de la memoria Flash, y es la que se utiliza para almacenar el código principal del programa. Los niveles de protección para la sección de la aplicación se configuran con los bits del Boot Lock. Dentro de la sección de la aplicación no se puede almacenar ningún código del cargador de arranque, ya que la instrucción SPM quedaría deshabilitada cuando se ejecuta esta sección.

BLS – Sección del cargador de arranque

Si bien la sección de la aplicación se utiliza para almacenar el código de principal del programa, el software del Boot Loader debe almacenarse dentro de la sección de arranque (BLS), ya que la instrucción SPM sólo puede iniciar una programación cuando se ejecuta desde el sector de arranque (BLS). La instrucción SPM puede acceder a todo el contenido de la memoria Flash, incluso al propio sector de arranque (BLS). El nivel de protección para la sección Boot Loader puede seleccionarse mediante los bits de bloqueo del cargador de arranque.

Secciones de lectura sin escritura y sin lectura mientras se graba

Si la CPU admite la lectura mientras escribe (Read-While-Write) o si la CPU se detiene durante un software Boot Loader, la actualización depende de la dirección que se está programando. Además de las dos secciones, que son configurables mediante los fusibles BOOTSZ, la memoria Flash también se divide en dos secciones fijas: la sección leer mientras se escribe (RWW) y la sección sin lectura mientras se escribe (NRWW). El límite entre las secciones RWW y NRWW depende del modelo de micro controlador que se utilice.

La principal diferencia entre las dos secciones es:

Al borrar o escribir dentro de la sección RWW, la sección NRWW puede leerse durante la operación.
Al borrar o escribir dentro de la sección NRWW, la CPU se detiene hasta que finalice el proceso.

El software del usuario no puede leer ningún código que se encuentre dentro de la sección RWW durante la ejecución del sector de arranque.

El significado de leer mientras escribe (Read-While-Write) se refiere a cuando se borra o escribe en la memoria, es decir, cuando se está programando. Y esto no es posible hacerlo cuando se está ejecutando el gestor de arranque.

RWW – Sección de lectura mientras se escribe

Cuando se actualiza el programa con el Boot Loader y se está cargando código dentro de la sección RWW, es posible leer código del Flash, pero solo el código que se encuentra en la sección NRWW. Durante un proceso continuo de programación, el software debe garantizar que la sección RWW nunca se lea. Si a través de software se intentara leer dentro de la sección RWW durante la programación, el software podría terminar en un estado desconocido. Para evitar esto, las interrupciones tienen que deshabilitarse o moverse dentro de la sección del Boot Loader, porque la sección Boot Loader siempre se encuentra en sección NRWW.

NRWW – Sección sin lectura mientras se escribe

El código ubicado en la sección NRWW se puede leer cuando el software Boot Loader está programando la sección RWW. Cuando el código Boot Loader programa la sección NRWW, la CPU se detiene hasta que termine la operación.

Bits de bloqueo del cargador de arranque (Boot Loader)

Cuando no se programa el Boot Loader, toda la capacidad de la memoria el Flash queda disponible para el programa. El cargador de arranque tiene dos conjuntos separados de bits de bloqueo, los cuales se pueden configurar de forma independiente y permiten diferentes niveles de protección.

Modos de protección contra una posible actualización realizada a través del micro procesador

Proteger la escritura en toda la memoria Flash
Proteger la escritura sólo en la sección del cargador de inicio (Boot Loader)
Proteger la escritura sólo en la sección Flash del programa
Permitir la actualización del software en toda la memoria Flash

Los bits de bloqueo o protección (Boot Lock) se pueden configurar en ambos modos de programación, tanto serie como paralelo, pero solo pueden borrarse cuando se borra toda la memoria. El bloqueo de escritura general no controla la programación de la memoria flash mediante instrucción de auto programación (SPM). Del mismo modo, el bloqueo de lectura / escritura general no controla la lectura ni la escritura por LPM / SPM.

Si necesitas saber las posibles configuraciones de algún micro-controlador AVR, puedes consultar en esta Web: http://www.engbedded.com/fusecalc/

Desde aquí puedes realizar una configuración, calcular los valores en hexadecimal y copiar los argumentos de la cadena que le tendrías que añadir a la aplicación AVRDUDE, para programar los fusibles del micro-controlador.

SPM – Self-Programming Mode

El modo de auto programación (SPM) es una función que permite que un micro controlador programe su propia memoria flash. Usando el SPM, un micro controlador puede programarse con un nuevo código SPM. El modo de auto programación (SPM) se usa comúnmente con los códigos de cargador de arranque del micro controlador que ayudan a su programación en serie. El SPM está disponible solo para el código que se ejecuta en el Boot Loader (BLS) de la memoria flash. Con la ayuda de SPM, un código en el Boot Loader puede reescribir la memoria flash de la aplicación por completo o una parte de ella. Incluso puede reescribir su propio código en la sección BLS.

El modo de auto programación (SPM) es un factor clave del código Boot Loader, ya que su principal función es la de cargar el programa dentro de la sección destinada a la aplicación de la memoria flash. El Boot Loader puede recibir el código binario de otros chips de memoria, tarjetas SD o a través del puerto serie del micro controlador en caso de programación en serie. Es entonces con la ayuda de modo de auto programación (SPM) que el micro controlador escribe el código binario en la sección flash de la aplicación.

Programador ISP con Arduino UNO

El IDE (Integrated Development Environment) de Arduino dispone de un código en la sección de los ejemplos: Archivo – Ejemplos – 11.ArduinoISP, que permite convertir la placa de desarrollo de Arduino en un programador ISP. Este código puede controlar el encendido de 3 diodos LED, para indicar su estado de funcionamiento durante la programación.

Funcionamiento del programador

Fluctúa la iluminación de uno de sus indicadores LED cuando el programador está disponible (LED azul), muestra otra indicación durante la escritura (LED amarillo), y también puede mostrar la indicación de error (LED rojo).

He añadido un cuarto LED al circuito, conectando un diodo LED en la línea SCK (LED verde). Esta señalización nos permite saber si un micro-controlador tiene cargado el Boot-Loader:

…al pulsar el botón RESET del programador, el LED verde (conectado a la línea SCK) debería parpadear durante un instante.

Autoprogramación

La memoria del programa se actualiza página por página (64 palabras en ATmega328P / 32 palabras ATmega8A). Antes de programar una página con los datos almacenado en el buffer de página temporal, la página debe borrarse. El buffer de página temporal se llena uno palabra a la vez usando SPM y el buffer se puede llenar antes del comando de borrado de página o entre una página borrada y una operación de escritura de página:

Alternativa 1. Llenar el buffer antes de borrar una página

Rellenar el buffer temporal de la página
Realizar un borrado de página
Realizar una escritura de página

Alternativa 2. Completar el buffer después de borrar la página

Realizar un borrado de página
Rellenar el buffer temporal de la página
Realizar una escritura de página

Analizador acústico con ARDUINO

Construcción de un analizador acústico con Arduino. La información se presenta de forma gráfica, en un display LCD de 16×2 caracteres. Como ecualizador gráfico se puede utilizar el circuito integrado MSGEQ7 o el MSGEQ5, dependiendo del número de bandas de audio que queramos mostrar. Este circuito se puede montar de forma independiente, previamente programando el ATMEGA328P con la placa de desarrollo de Arduino. Una vez programado, mediante la posición de un jumper se puede configurar para que muestre 5 o 7 bandas… montando previamente el circuito integrado ecualizador correspondiente.

Utilidad de un analizador acústico

Este analizador acústico no puede competir con un equipo profesional, pero podría ser muy útil para acondicionar la acústica de un salón de actos o sala de conciertos improvisada. Comprobando la respuesta en frecuencias y volumen de escucha en diferentes puntos, se podrían corregir los defectos reorientando los altavoces/bocinas, ecualizando la respuesta de los amplificadores, etc. Por otra parte, como este analizador de audio es de bajo costo y no requiere de conocimientos especiales para montarlo, podría ser muy instructivo realizarlo como práctica en escuelas relacionadas con la formación en las ramas de electrónica y tecnología.

Ecualizador gráfico de 5/7 bandas

Este montaje está basado en el circuito integrado MSGEQ5 / MSEGQ7, ecualizador gráfico de audio de 5 y 7 bandas respectivamente. Dentro de un pequeño encapsulado DIL de 8 pines, se encuentra todo lo necesario para obtener a su salida los valores de energía a diferentes frecuencias, a partir de la señal de audio en su entrada (descomposición espectral).

Como se puede ver en la imagen anterior, el MSGEQ5 analiza los valores comprendidos entre 100 y 10.000 Hz. Este rango es más que suficiente para conocer la respuesta en frecuencias de cualquier entorno. Pero si queremos analizar con más detalle los extremos de la zona audible, graves más bajos y agudos más altos, sería mejor utilizar el MSGEQ7.

Como se puede comprobar comparando los datos entre ambos componentes, son compatibles tanto en conexiones como características técnicas. Lo único que cambia es la gestión de los datos, pero el protocolo es el mismo. Con el MSGEQ5 tendremos que tomar y asignar los valores leídos de 5 en 5, y con el MSGEQ7 lo haremos en grupos de 7 (número de bandas). Aprovechando estas características, es muy fácil construir un circuito que permita trabajar con ambos componentes.

Este montaje lo puedes hacer siguiendo el esquema anterior, o utilizando la placa de desarrollo de Arduino junto con el Shield LCD, desarrollado para Arduino UNO.

Escala gráfica

La escala de las barras gráficas que muestra el display no es logarítmica, como lo harían la mayoría de los analizadores de audio. Con el fin de obtener un efecto visual más pronunciado, la gráfica que muestra el display traduce los valores de tensión en cada banda de forma lineal.

Si prefieres cambiar la escala, sólo tienes que modificar los valores de la tabla (resaltadas en color amarillo), editando el código antes de programar el microprocesador ATMEGA328P con Arduino.

Firmware

El código de programación de este analizador acústico, se puede descargar desde el siguiente enlace: Analizador acústico

Medir la sensación térmica

Construcción de un medidor de humedad, temperatura real y la sensación térmica. Para este montaje voy a utilizar el sensor de temperatura y humedad DHT11, y como controlador utilizaré Arduino. La sensación térmica describe el grado de incomodidad que el ser humano percibe, como resultado de la combinación de la temperatura, humedad y el viento. La humedad, junto con la velocidad del aire hacen que la sensación de frío sea mayor en invierno, y la sensación de calor más intensa en verano.

La temperatura y la sensación térmica

Es habitual que nos fijemos en la temperatura que muestra un termómetro, y rápidamente asociemos el valor que hemos leído con la sensación de frío o calor que vamos a sentir. Sin embargo, la sensación térmica varía en función de otros factores, como son la humedad relativa del aire y su velocidad.

Regulación térmica

El cuerpo humano intenta mantener su temperatura corporal a un valor constante, alrededor de los 37ºC y la piel es el principal órgano encargado de regular la temperatura:

Cuando aumenta la temperatura del cuerpo, se dilatan los vasos sanguíneos y aumenta el flujo de sangre por la piel, y la piel en contacto con el exterior hace de radiador y se reduce la temperatura. Si el calor es excesivo, se abren los poros y se comienza a sudar. El sudor es un método de enfriamiento muy efectivo, porque su evaporación provoca un enfriamiento mucho más rápido.

Sudor y humedad

Cuando el cuerpo se enfría, los vasos sanguíneos se contraen y el flujo sanguíneo se reduce. Los músculos son estimulados para generar más calor, pudiendo llegar a provocar temblores involuntarios. Así el cuerpo puede aumentar su temperatura rápidamente en caso de necesidad.

En definitiva, la piel humana es el sensor que detecta las diferencias de temperatura entre el cuerpo y el ambiente, para reaccionar en consecuencia. Si tenemos en cuenta que la temperatura de la piel se mantiene alrededor de los 32ºC, la sensación térmica variará de forma más brusca, cuando más nos alejemos de dicho valor y dependerá de la humedad y velocidad del aire exterior.

La sensación térmica describe el grado de incomodidad que el ser humano percibe, como resultado de la combinación de la temperatura, humedad y el viento. La humedad, junto con la velocidad del aire hacen que la sensación de frío sea mayor en invierno, y la sensación de calor más intensa en verano.

La humedad en verano y en invierno

En verano, con temperaturas altas, un exceso de humedad en el ambiente impide que el sudor se evapore de forma eficiente, provocando una sensación de calor más alta.
En invierno, con temperaturas bajas, un exceso de humedad en el ambiente provoca una hidratación mayor de la piel, condensando partículas de agua en la superficie como si fuera sudor, y su evaporación provoca una sensación de frío mayor que la que muestra el termómetro

Si queremos saber el grado de frío o calor, sobre todo en las regiones de climas húmedos, es mucho más útil conocer la sensación térmica que la temperatura. La humedad relativa del aire, representada con las siglas HR o la letra griega Φ (fi), es la concentración de vapor de agua en el aire.

Una vez corregido el valor de temperatura con la sensación térmica debido a la humedad, si además hay viento con una velocidad superior a 12,5 km/h, habría que aplicar al valor obtenido una nueva corrección.

La corrección con el viento es mucho menor que la provocada por la humedad. Como se puede ver en la gráfica anterior, la sensación de calor aumenta a partir de 34ºC y también disminuye a partir de ese mismo valor.

Medir la sensación térmica

La construcción de un medidor que muestre el valor de la sensación térmica, es sencilla y de bajo costo. Con Arduino el código de programación es muy corto, y además las fórmulas de corrección ya están incluidas dentro de las librerías del sensor DHTxx. Para este montaje utilicé el sensor DHT11, pero si se requiere una mayor precisión, es mejor utilizar el DHT22. El controlador de este medidor está hecho con Arduino, y la presentación de los valores se muestra en un display LCD de 2×16 caracteres. Todo el conjunto se podría fabricar sin tener que soldar ningún componente, utilizando un Arduino UNO junto con su ‘Shield LCD‘. El sensor de temperatura/humedad se puede conectar con terminales de conexión en la tarjeta Arduino, porque el sensor DHT11 se puede comprar montado en una pequeña placa PCB, en la que lleva montada una resistencia Pull-Up y el condensador de desacoplo para la alimentación. La alimentación de todo el conjunto es de 5 VDC, por lo que se podría utilizar cualquier cargador USB que tengamos en casa.

También puedes optar por hacer un montaje independiente, sin la placa de desarrollo de Arduino. Así te saldrá todo más barato y su tamaño será menor:

Firmware (v1)

El código de programación de este medidor, junto con la librería de control necesaria para el sensor DHTxx, se puede descargar desde el siguiente enlace: Temperatura y humedad

Descargar fichero .stl

Thermometer showing the thermal sensation

El medidor de temperatura y humedad lo puedes montar dentro de en una pequeña caja de plástico (100 x 60 x 25 mm), incluyendo dentro su propia fuente conmutada de 5VDC. Los detalles de este montaje, los puedes ver en el siguiente video:

Sensación y conductividad térmica

¿Por qué tiene tan mala respuesta a la temperatura el sensor DHT11?. El problema es que el sensor de temperatura DHT11 está encerrado dentro de una jaula de plástico, por lo que su conductividad térmica entre el exterior y el sensor es mala, y esto provoca que su tiempo de respuesta sea lento. Para corregir este fallo, he montado un segundo sensor de temperatura en el termómetro. He utilizado el sensor DS18B20 con encapsulado metálico para medir la temperatura, dejando el sensor DHT11 para medir la humedad y calcular la sensación térmica.

Tiempo de respuesta de un sensor

La respuesta en el tiempo de un sensor de temperatura depende de la conductividad térmica del material utilizado entre el elemento a medir (aire, líquido) y el sensor de temperatura. Como norma general, los materiales mas conductivos eléctricamente, también lo son térmicamente.

Utilizar un sensor de temperatura con encapsulado metálico, es una buena elección cuando se necesita obtener una respuesta rápida en la medida.

Aunque esto no siempre es imprescindible y hay veces que es mejor utilizar un sensor de respuesta más lenta, con el fin de mostrar la temperatura ambiente y evitar que se muestren cambios bruscos debido a una corriente de aire frío o caliente ocasional.

El sensor de temperatura y humedad DHT11 es de respuesta lenta y muy válido para mostrar la temperatura en zonas abiertas, pero no es el más adecuado para medir valores en recintos pequeños (sauna, cámara frigorífica, caldera).

¿Es útil el montaje anterior?

Dependiendo del uso que le quieres dar al medidor de temperatura ambiente, tendrás que elegir el sensor de temperatura que mejor se adapte al entorno. Si quieres mostrar la temperatura en un espacio abierto, el montaje anterior te podría servir. Pero si lo quieres para hacer medidas rápidas, o para mostrar los valores dentro de en un recinto pequeño, es aconsejable añadir al esquema anterior un segundo sensor de temperatura con encapsulado metálico.

Firmware (v2)

El código de programación del medidor con doble sensor, se puede descargar desde el siguiente enlace: Temperatura y humedad (v2)

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