tema 3 - gobierno de canarias

Departamento de Tecnología IES El Tablero I (Aguañac) 2018 - 2019

Tema 3

Arduino

Departamento de Tecnología IES El Tablero (Aguañac) 2018 – 2019 2

Tabla de contenido

1. ¿Qué vas a aprender? ................................................................................................................. 3

2. ¿Qué es Arduino? ....................................................................................................................... 3

3. Primeros pasos con Arduino........................................................................................................ 4

3.1 Plataforma WEB ...................................................................................................................................... 5

3.2 Estructura básica de un programa para Arduino ...................................................................................... 7 3.2.1 setup() ......................................................................................................................................................... 8 3.2.2. loop() .......................................................................................................................................................... 8

4. Práctica 1: Nuestro primer programa ARDUINO .......................................................................... 9

4.1 Preparar la conexión ................................................................................................................................ 9

4.2 Cargando un ejemplo ............................................................................................................................... 9

4.3 Explicación del código ............................................................................................................................. 10

5. Práctica 2: Encender un LED con Arduino ................................................................................... 11

5.1 ¿Qué es un LED? ..................................................................................................................................... 11

5.2 Calcular el valor de la resistencia ............................................................................................................ 12

5.3 Conexión eléctrica .................................................................................................................................. 13

5.4 Dibujo del circuito y código de programación ......................................................................................... 14

6. Práctica 3: Encender un LED con un pulsador en ARDUINO ........................................................ 16


7. Práctica 4: Encendido nocturno ................................................................................................. 18


8. Anexo ...................................................................................................................................... 20

1.2 Funciones Básicas de programación ........................................................................................................ 20


1. ¿Qué vas a aprender?

- La placa Arduino.

2. ¿Qué es Arduino?

Arduino es una placa o tarjeta controladora, con una serie de entradas y salidas, y que se programa a

través del ordenador mediante un lenguaje de programación. Veamos que elementos componen una

Arduino UNO:


• Alimentación: Arduino puede estar alimentado por dos vías:

- conexión USB (que proporciona 5 V).

- Jack de alimentación (que normalmente será una pila de 9 V o fuente de alimentación,

que se recomienda que este entre 7 – 12 V).

• Los pines de alimentación son para alimentar los circuitos la placa de prototipos o breadboard o

protoboard:

- 3.3 V proporciona una tensión de 3,3 V, y una intensidad máxima de 50 mA.

- 5 V proporciona una tensión de 5 V, y una intensidad máxima de 300 mA.

- GND es la toma de tierra, o nivel 0 V de referencia.

- Vin proporciona la tensión máxima con la que esta alimentado Arduino.

• Valores de entrada y de salida: en función de como este siendo utilizado en pin, tendremos:

- Salida y entrada digital: los valores de salida pueden ser o 0 V (LOW) o 5 V (HIGH), y se

interpretara una entrada de entre 0 y 2 V como LOW y de entre 3 y 5 V como HIGH.

- Salida analógica: los valores de salida van desde 0 V a 5 V en un rango de 0 a 255 (precisión

de 8 bits) valores intermedios.

- Entrada analógica: los valores de entrada van desde 0 V a 5 V en un rango de 0 a 1023

(precisión de 10 bits) valores intermedios.

• La intensidad máxima de todos estos pines es de 40 mA.

3. Primeros pasos con Arduino

Para comenzar a trabajar con Arduino, necesitamos un IDE de programación, o, dicho en otras palabras,

un entorno donde poder programar. En este punto existen varias posibilidades, nosotros nos centraremos

en el IDE propuesto por los creadores de ARDUINO y en la plataforma web que nos permite trabajar en la

nube sin necesidad de instalar ningún software.

NOTA

A continuación, se va a explicar de forma muy resumida algunos conceptos básicos para poder

manejar la placa de ARDUINO. Si quieres profundizar puedes acudir a la página de referencia de

ARDUINO.

https://www.arduino.cc

https://www.arduino.cc/


3.1 Plataforma WEB

Lo primero que debemos hacer es ir a la siguiente dirección, https://create.arduino.cc/ y veremos una

pantalla como la que se muestra a continuación:

Una vez en ella, si es la primera vez que estamos instalando ARDUINO en nuestro sistema, debemos ir a

“Getting Started”, en donde nos deberemos descargar el plugin para conectar nuestra placa ARDUINO y

que la plataforma lo reconozco.

Una vez instalado el plugin, volvemos al menú anterior y seleccionamos “Arduino Web Editor”. Si no

tenemos cuenta, nos registramos y si ya la tenemos, simplemente nos debemos identificar.

https://create.arduino.cc/


Una vez nos identifiquemos, accederemos a un sencillo IDE que debe tener un aspecto como el que se

muestra a continuación:

En la captura mostrada anteriormente, debemos identificar algunos elementos significativos para poder

manejarnos correctamente en el entorno y poder así comprender el funcionamiento global de la

plataforma.


El menú de la izquierda, una de las opciones más importantes son los Sketchbook, que no son otra cosa

que la librería donde iremos almacenando cada una de las prácticas que vayamos haciendo. Dicho de otra

forma, es el almacén de los distintos proyectos que vamos creando.

Por otro lado, en este menú podemos encontrar ejemplos de diferentes niveles, librerías ya creadas por

terceros para determinada funcionalidad, un monitor en de variables (lo veremos más adelante) y una

serie de preferencias para personalizar el entorno.

A continuación, vamos a centrarnos en nuestros Sketchbook:

Tal y como se ha comentado anteriormente, un Sketch no es otra cosa sino un proyecto representado por

el código que se va a cargar en la placa ARDUINO. El sistema por defecto, cada vez que creamos uno

nuevo, le asigna un nombre que podemos modificar en cualqueir momento y nos añade el Esqueleto

básico de todo programa para ARDUINO.

En la parte superior, podemos seleccionar el puerto o la placa sobre la que queremos volcar el código.

Para ello, deberemos tener conectadada la placa y automáticamente el sistema la reconocerá gracias al

plugin instalado en los pasos anteriores.

El icono “OK”, verificará que el código está libre de errores y lo guadará, mientras que la flecha lo guardará

y lo subirá a la placa cuando esté conectada.

3.2 Estructura básica de un programa para Arduino

La estructura básica del lenguaje de programacion de Arduino es bastante simple y se compone de al

menos tres partes. Estas tres partes necesarias, o funciones, encierran bloques que contienen

declaraciones, estamentos o instrucciones.


Antes de los dos bloques claramente identificada, encontramos la primera sección en donde se declararán

las variables de forma global. Más adelante en las prácticas, iremos viendo más detalles.

setup() es la parte encargada de recoger la configuracion y loop() es la que contienen el programa que se

ejecutara ciclicamente (de ahi el termino loop –bucle-). Ambas funciones son necesarias para que el

programa trabaje.

La funcion de configuracion debe contener la declaración de las variables. Es la primera función a ejecutar

en el programa, se ejecuta solo una vez, y se utiliza para configurar o inicializar pinMode (modo de trabajo

de las E/S), configuración de la comunicacion en serie y otras.

La funcion bucle (loop) siguiente contiene el codigo que se ejecutara continuamente (lectura de entradas,

activacion de salidas, etc) Esta funcion es el nucleo de todos los programas de Arduino y la que realiza la

mayor parte del trabajo.

3.2.1 setup()

La funcion setup() se invoca una sola vez cuando el programa empieza. Se utiliza para inicializar los

modos de trabajo de los pins, o el puerto serie. Debe ser incluido en un programa aunque no haya

declaracion que ejecutar. Asi mismo se puede utilizar para establecer el estado inicial de las salidas

de la placa.

3.2.2. loop()

Despues de llamar a setup(), la funcion loop() hace precisamente lo que sugiere su nombre, se ejecuta

de forma ciclica, lo que posibilita que el programa este respondiendo continuamente ante los

eventos que se produzcan en la placa.

No hay mejor manera de aprender que practicando, por lo que a partir de este punto, iremos montando

pequeñas y sencillas prácticas, en donde se explicarán tanto los conceptos electrónicos, como los

conceptos de programación que vayamos viendo.


4. Práctica 1: Nuestro primer programa ARDUINO

En esta entrada vamos a hacer nuestro primer programa en Arduino. Asumimos que tenemos una placa

Arduino UNO o similar y el IDE estándar de Arduino correctamente instalado, tal y como vimos al principio.

4.1 Preparar la conexión

En primer lugar, conectamos nuestra placa Arduino mediante un cable USB A-B, del tipo que se

emplean habitualmente para conectar impresoras. De momento no hace falta la conexión de

alimentación o cable adicional, para realizar la programación es suficiente únicamente con el USB.

Si nos fijamos, automáticamente la plataforma reconoce nuestra placa ARDUINO y la vincular

perfectamente al nuevo proyecto que estamos desarrollando.

4.2 Cargando un ejemplo

Para probar que hemos realizado todo correctamente y funciona, vamos a cargar un pequeño

ejemplo ya desarrollado, seleccionándolo del menú izquierda – Examples – 01.Basics- Blink

Compilamos el código y lo subimos a la placa empleando el icono de la flecha. Si todo se ha subido

correctamente, veremos una imagen como la que se muestra a continuación:


4.3 Explicación del código

Lo primero que realiza este programa en la sección setup(), es identificar cual será el pin seleccionado

para mostrar la salida. En este caso, se elige LED_BUILTIN, que a sus efectos es el pin 13. Por tanto,

algo sucederá en el pin 13.

Ya en la sección loop(), la cual se repite continuamente, empleando digitalWrite(LED_BUILTIN,

HIGH), le asignamos al pin 13 un voltaje de 5V, es decir, lo encendemos. Mediante delay(1000),

esperamos un segundo para colocar el pin 13 a 0V, o lo que es lo mismo apagarlo. Como nos

encontramos dentro del loop(), este proceso se repetirá continuamente.

AMPLIACIÓN

Modifica el tiempo de parpadeo del LED 13 y haz que se encienda y apague cada 5 segundos. Esta prác-tica no te llevará más de 5 minutos. También puede emplear otra forma de hacer declarando variables.


5. Práctica 2: Encender un LED con Arduino

En esta práctica veremos como encender un LED mediante las salidas digitales de Arduino. Para ello,

veremos el principio de funcionamiento y el esquema eléctrico necesario.

Por supuesto, también podemos usar el contenido de esta práctica para encender un LED con cualquier

otro autómata, o directamente conectándolo a tensión con una fuente de alimentación o batería. El

esquema eléctrico es el mismo, sin más que sustituir la salida de Arduino por vuestra fuente de tensión.

En algunos libros o páginas web veréis que, a veces, conectan directamente el LED a una salida digital o

analógica de Arduino. Aunque esto funciona (luego veremos porque) es una mala práctica. En general, los

LED deben conectarse siempre a través de una resistencia.

Para entender la importancia y el papel de esta resistencia, y poder calcular su valor, es necesario

entender cómo funciona un LED.

5.1 ¿Qué es un LED?

Un LED es un diodo emisor de luz, es decir, un tipo

particular de diodo que emite luz al ser atravesado

por una corriente eléctrica. Los diodos (emisor de

luz, o no) son unos de los dispositivos electrónicos

fundamentales.

Un diodo es una unión de dos materiales

semiconductores con dopados distintos. Sin entrar

en detalles, esta diferencia de dopado hace que

genere una barrera de potencial, que como primera

consecuencia hace que el paso de corriente en uno

de los sentidos no sea posible.

Aquí tenemos la primera característica de los diodos, tienen polaridad, es decir, solo dejan pasar la

corriente en un sentido. Por tanto, tenemos que conectar correctamente la tensión al dispositivo.

La patilla larga debe ser conectada al voltaje positivo (ánodo), y la corta al voltaje negativo (cátodo).

La otra consecuencia de la barrera de potencial es que, incluso conectando el dispositivo con la

polaridad correcta, a baja tensión los electrones siguen sin poder atravesar el dispositivo. Esto ocurre

hasta alcanzar un cierto valor de tensión que llamamos tensión de polarización directa (Vd), que

depende del tipo de diodo.

REGLA NEMOTÉCNICA

- La patilla más larga es la positiva.

- La patilla menos larga es la negativa.


A partir de esta tensión decimos que el diodo está polarizado y la corriente puede atravesarlo

libremente con una resistencia casi nula. La tensión que realmente está alimentando al diodo es la

diferencia entre la tensión aplicada, y la tensión de polarización directa del diodo.

Como vemos, en el momento que superamos la tensión de polarización, y dado que la resistencia del

diodo es muy pequeña, se genera una gran corriente que destruirá el diodo. Por ese

motivo, necesitamos una resistencia que limite la cantidad de corriente que circula por el diodo.

En resumen, si no ponemos una resistencia, el sistema solo tiene dos estados.

- Si alimentamos a una tensión inferior a Vd, el LED no luce.

- Si alimentamos a una tensión superior a Vd, el LED se rompe.

En cualquier caso, no conseguiremos hacer lucir el LED sin utilizar una resistencia de valor adecuado.

5.2 Calcular el valor de la resistencia

Hemos dicho que lo principal para hacer funcionar un LED es calcular el valor de la resistencia

necesaria. Para calcular el valor de tensión necesaria para alimentar un LED necesitamos conectar 3

parámetros

- La tensión de alimentación (Vcc)

- La tensión de polarización directa del LED (Vd)

- La corriente nominal del LED (In)

Calcula el valor de la resistencia es sencillo. Como hemos dicho, la tensión que soporta el LED es la

diferencia entre la tensión aplicada y la tensión de polarización directa del LED.

Aplicando la ley de Ohm, con el valor de la intensidad nominal del LED

Por lo que lo que el valor de la resistencia resulta:

Dado que las resistencias comerciales tienen valores normalizados, no encontraréis una resistencia

con el valor exacto que hayáis calculado. En este caso, elegiremos la resistencia normalizada

inmediatamente superior al valor calculado, para garantizar que la corriente es inferior a la nominal.

La tensión de alimentación Vcc es conocida para nosotros. En caso de aplicar una fuente de

alimentación o una batería, Vcc es la tensión nominal de la misma. En el caso de una salida digital o

analógica de Arduino, Vcc dependerá del modelo que estemos usando (5V o 3.3V) pero también es

conocido.


Respecto a la tensión de polarización y la corriente nominal dependen de los materiales y

constitución interna del diodo. En el caso de diodos LED convencionales de 3mm y 5mm, dependen

principalmente del color y luminosidad

No obstante, en la mayoría de las ocasiones el propio vendedor facilita estos valores en el anuncio.

En caso de duda deberemos acudir al Datasheet del LED para consultar los valores nominales.

En la siguiente tabla os adjuntamos unos valores generales de la tensión de polarización Vd típica

para cada color. También os figura el valor de la resistencia necesaria, en Ohmios, para distintos

valores de tensión de alimentación Vcc.

𝑅 =5𝑉−1,8𝑉

0,02𝐴= 160Ω

5.3 Conexión eléctrica

Después de toda la teoría mostrada en los apartados anteriores, la cual se resume a elegir

correctamente el valor de una resistencia para poder encender el LED, es hora de mostrar el esquema

electrónico básico que vamos a montar.


Para la realización de este circuito vamos a emplear una placa de pruebas o una protoboard. A con-

tinuación, te mostramos una imagen sencilla donde se explica el funcionamiento de cara a montar

un circuito. Es muy sencillo.

5.4 Dibujo del circuito y código de programación

En este punto te enseñamos a representar el circuito en una herramienta que seguro os sonará, el

TinkerCAD. Mediante este entorno, podemos no sólo dibujar o representar el circuito, sino además

podemos simularlo haciendo uso de un lenguaje de programación por bloques.


AMPLIACIÓN

Añade dos LED más de diferente color y crea un sistema alterno de luces para que se encien-dan y apaguen de forma alterna como si se tratara de un semáforo. Recuerda los conceptos visto en la teoría.


6. Práctica 3: Encender un LED con un pulsador en ARDUINO

Encender y apagar un LED utilizando un botón pulsador que envié una señal que Arduino registre y decida

si enciende o apaga el LED. En esta práctica trabajaremos con el sistema de entradas digitales de

ARDUINO.

Un sistema mecatrónico tiene componentes de actuación y de medición. En la primera práctica el LED

puede ser visto como un actuador. Para ese caso particular la actuación que se vio fue la emisión de luz

a través del LED. En esta práctica se sumarán como medir acciones exteriores. Se emplea un botón

pulsador como elemento sensor, que nos indicará a través del tacto del dedo sobre el botón si este está

activado o no. La medición sobre el botón va enviar una señal Arduino la cual va a reconocer 1) si está

activado el botón se encenderá el LED, y 2) al soltar el dedo del pulsador, el LED se apaga.


Antes de comenzar la realización del montaje del circuito electrónico, se debe realizar el circuito en

el programa TinkerCad. Se debe tener en cuenta el conocimiento de cuál es el cátodo y ánodo del

LED. Se coloca el ánodo en el pin 13 y el cátodo a tierra (ground), usar el pin 5V y conectar al botón

como se muestra en la figura 2:

Se observa en la Figura que se está utilizando el Arduino Uno. Como se observa en la Figura, el

Protoboard nos ayuda a insertar el LED e instalar el circuito a través de cables, al igual que la

resistencia eléctrica y el botón pulsador. La línea que esta de color rojo que conecta el LED a la tarjeta

NOTA

Antes de comenzar con el desarrollo del programa, se debe saber el valor de las resistencias que

vamos a emplear. En la anterior práctica te enseñamos como hacerlo. Sigue los mismos pasos para

obtener el valor de la resistencia.


Arduino emite los 5V al estar conectado la tarjeta al computador (El computador es capaz de

proveerle Arduino 5V). Los 5V como se observa van hacia al botón y luego al cerrarse el circuito le

deja pasar al pin 7. Para proteger el circuito y evitar que al pin 7 no le llegue más de 5V, le colocamos

al circuito una resistencia eléctrica, la cual llevara en gran parte de esa señal a tierra.

AMPLIACIÓN

¿Qué fallo le encuentras? Seguro que te has dado cuenta de un problema que tiene la práctica que te hemos mandado. Te proponemos que busques una posible solución para arreglarlo o mejorarlo. Como pista te podría decir que se necesitas guardar algo, ¿sabes el qué?


7. Práctica 4: Encendido nocturno

El objetivo de esta práctica es encender un LED utilizando un sensor de luz LDR, es decir, queremos que

se encienda el LED cuando cae la noche y oscurece. En caso contrario el LED permanecerá apagado. Para

ello utilizaremos un sensor LDR.

En este caso, deberemos calcular tanto el valor de la resistencia necesaria para el LED, como el valor de

la resistencia necesaria para el sensor LDR.


Antes de comenzar la realización del montaje del circuito electrónico, se debe realizar el circuito en

el programa TinkerCad. En prácticas anteriores ya hemos montado circuitos similares, la diferencia

es que en este caso vamos a añadir un sensor diferente.

El LDR es un sensor sensible a la luz que puede proporcionar tanto una salida digital como una salida

analógica, por lo que podremos emplearlo usando tanto los pines digitales como los pines analógicos.

Por un lado, se conecta el LED al pin digital 9 de la placa de Arduino (utilizando su debida resistencia).

Por otro lado, se conecta el sensor LDR al pin analógico 0 de la placa de Arduino (utilizando la

resistencia en modo Pull-Down).

NOTA

Antes de comenzar con el desarrollo del programa, se debe saber el valor de las resistencias que

vamos a emplear. En la anterior práctica te enseñamos como hacerlo. Sigue los mismos pasos para

obtener el valor de la resistencia.


En el código que se te muestra a continuación, pocas cosas te pueden sorprender. Lo más intere-

sante es como capturamos los valores analógicos del PIN 0. Estos valores los marca el sensor de luz

en función de la luz existente. Tal y como puede ver, empleamos analogRead(0) para realizar esta

acción.

Mediante la instrucción Serial.println(9600), comenzamos a mostrar por pantalla los valores que va

recibiendo el sensor, pero previamente para poder visualizar por pantalla dichos valores, debes ini-

cializar el puerto serie mediante Serial.Begin(9600). En el anexo de este documento te enseñamos

un conjunto de funciones que puedes emplear

AMPLIACIÓN

Teniendo claro el esquema electrónico montado anteriormente, sería fácil modificarlo para añadir un LED de color rojo y prepara un código que si hay luz se encienda el LED amarillo y sino hay luz, se en-cienda el LED rojo. Lo que estamos construyendo es un detector de luz útil por ejemplo para saber cuando debemos activar una farola al caer la noche.


8. Anexo

1.2 Funciones Básicas de programación

• E/S Digitales

pinMode(pin,modo)

Configura el pin especificado para comportarse como una entrada (INPUT) o una salida (OUTPUT).

Ejm: pinMode(Pin13, OUTPUT)

digitalWrite(pin,valor)

Asigna el valor HIGH (5V) o LOW (0V) a un pin digital.

Ejm: digitalWrite(Pin13 , HIGH);

digitalRead(pin)

Lee el valor de un pin digital especificado, HIGH o LOW.

Ejm: val = digitalRead(Pin13);

• E/S Analógicas

analogRead(pin)

Lee el valor de tensión en el pin analógico especificado. La placa Arduino posee 6 canales

conectados a un conversor analógico digital de 10 bits. Esto significa que convertirá tensiones

entre 0 y 5 voltios a un número entero entre 0 y 1023. Esto proporciona una resolución en la

lectura de: 5 voltios / 1024 unidades, es decir, 0.0049 voltios (4.9mV) por unidad. El rango de

entrada puede ser cambiado usando la función analogReference().

Ejm: val = analogRead(Pin3)

analogWrite(pin,valor)

Escribe un valor analógico (PWM) en un pin. Puede ser usado para controlar la luminosidad de un

LED o la velocidad de un motor. Después de llamar a la función analogWrite(), el pin generará una

onda cuadrada estable con el ciclo de trabajo especificado hasta que se vuelva a llamar a la función

analogWrite() (o una llamada a las funciones digitalRead() o digitalWrite() en el mismo pin). La

frecuencia de la señal PWM será de aproximadamente 490 Hz. los valores de analogRead van

desde 0 a 1023 y los valores de analogWrite van desde 0 a 255.


Parámetros:

- pin: Es el pin en el cual se quiere generar la señal PWM.

- valor: El ciclo de trabajo deseado comprendido entre 0 (siempre apagado) y 255 (siempre

encendido).

Ejm: val = analogRead(analogPin);

analogWrite(ledPin, val / 4);

• Comunicación Serie

Se utiliza para la comunicación entre la placa Arduino y un ordenador u otros dispositivos. Todas

las placas Arduino tienen al menos un puerto serie Serial. Se comunica a través de los pines

digitales 0 (RX) y 1 (TX), así como con el ordenador mediante USB. Por lo tanto, si utilizas estas

funciones, no puedes usar los pines 0 y 1 como entrada o salida digital.

Puedes utilizar el monitor del puerto serie incorporado en el entorno Arduino para comunicarte

con la placa Arduino. Haz clic en el botón del monitor de puerto serie en la barra de herramientas

y selecciona la misma velocidad en baudios utilizada en la llamada a begin().

Serial.begin(speed)

Establece la velocidad de datos en bits por segundo (baudios) para la transmisión de datos en

serie. Para comunicarse con el ordenador, utilice una de estas velocidades: 300, 1200, 2400, 4800,

9600, 14400, 19200, 28800, 38400, 57600 o 115200.

Ejm: Serial.begin(9600);

Serial.read()

Lee los datos entrantes del puerto serie.

Ejm; Byte = Serial.read();

Serial.print(val,[format])

Imprime los datos al puerto serie como texto ASCII.

- val: el valor a imprimir - de cualquier tipo

- format: especifica la base (formato) a usar; los valores permitidos son BYTE, BIN (binarios o

base 2), OCT (octales o base 8), DEC (decimales o base 10), HEX (hexadecimales o base 16).

Para números de coma flotante, este parámetro especifica el número de posiciones

decimales a usar.


Ejm: Serial.print(78) imprime "78"

Serial.print('N') imprime "N"

Serial.print(78, BYTE) imprime "N"

Serial.print(78, DEC) imprime "78”

Serial.println(1.23456, 0) imprime "1.23”

Serial.println(1.23456, 2) imprime "1.23"

Serial.println(val,[format])

Imprime los datos al puerto serie como texto ASCII seguido de un retorno de carro (ASCII 13, o

'\r') y un carácter de avance de línea (ASCII 10, o '\n').

Ejm:Serial.println(analogValue); // imprime como ASCII decimal

Serial.println(analogValue, HEX);// imprime como ASCII hexadecimal

Serial.available()

Devuelve el número de bytes (caracteres) disponibles para ser leídos por el puerto serie. Se refiere

a datos ya recibidos y disponibles en el buffer de recepción del puerto (que tiene una capacidad

de 128 bytes).

if (Serial.available() > 0){

//realiza la lectura del puerto serie

}

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