Arduino como sistema de control

Placa BQ ZUM Core

Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares.

Por otro lado Arduino nos proporciona un software consistente en un entorno de desarrollo (IDE) que implementa el lenguaje de programación de arduino y el bootloader ejecutado en la placa. La principal característica del software de programación y del lenguaje de programación es su sencillez y facilidad de uso

¿Para qué sirve Arduino? Arduino se puede utilizar para desarrollar elementos autónomos, conectándose a dispositivos e interactuar tanto con el hardware como con el software. Nos sirve tanto para controlar un elemento, pongamos por ejemplo un motor que nos suba o baje una persiana basada en la luz existente es una habitación, gracias a un sensor de luz conectado al Arduino, o bien para leer la información de una fuente, como puede ser un teclado, y convertir la información en una acción como puede ser encender una luz y pasar por un display lo tecleado.

La placa controladora BQ Zum Core, el controlador para nuestros proyectos

Una placa controladora no es más que un pequeño circuito electrónico, un cerebro con el que podemos controlar nuestros componentes electrónicos.

En clase usaremos una versión mejorada de Arduino UNO: la placa de BQ Educación, Zum Core en la versión 1 y 2

  1. Pines Digitales. Donde se conectarán componentes digitales; están preparados para recibir o mandar valores binarios (0 y 1; todo o nada; TRUE o FALSE).

  2. Conexión USB. Para conectar y comunicar con el ordenador, cargar código y comunicar por el puerto serie.

  3. Procesador. En este componente es donde se gestiona todo el código y funcionamiento de la placa, ¡ten cuidado de no dañarlo!

  4. Entrada de alimentación. Aquí será donde conectemos la alimentación de la placa, ya sea mediante pilas, baterías o mediante un transformador enchufado a la red.

  5. Encendido/Apagado. Mediante este interruptor se puede encender o apagar la placa; cuando la tengamos enchufada al USB algunas de las funcionalidades permanecerán encendidas aunque este interruptor esté en la posición de apagado, de esta forma puedes seguir programándola sin que tu invento eche a andar solo.

  6. Pines de alimentación. Son pines pensados para alimentar los componentes que conectemos a la placa. Como ves tiene salida a 3,3 y 5 voltios, un pin para masa (tierra o GND) y otro para un voltaje de entrada.

  7. Pines Analógicos. En estos pines se conectarán los dispositivos analógicos; están preparados para leer valores entre 0 y 5 voltios, mostrándolos como valores entre 0 y 1023.

Las placas Arduino se conectan a tu ordenador utilizando un cable USB, al igual que cualquier otro periférico, como la impresora, el teclado o incluso, un mando de videojuegos.

Arduino necesita estar conectado al ordenador a través del cable USB para cargar un programa. El cable USB sirve también para suministrar energía a la placa, pero también puedes alimentarla usando una fuente de energía externa, como una batería o un transformador apropiado.

LOS SENSORES

Los sensores (también conocidos como dispositivos de entrada o inputs) son dispositivos que aportan datos o información. Por ejemplo, algunos de los dispositivos de entrada que puede usar tu ordenador son un teclado, ratón, micrófono o cámara. Para la placa Arduino, los datos de los dispositivos de entrada pueden recopilarse automáticamente mediante elementos como sensores o activarse manualmente mediante componentes como interruptores. Cuando se ingresan datos en la placa Arduino, la placa se puede programar para responder a esta entrada de diferentes maneras.

Pulsador

Un pulsador es un sensor digital que al presionarlo se activa (1 o verdadero) y al dejar de pulsarlo se desactiva (0 o falso). En nuestra vida diaria estamos rodeados de pulsadores, desde los botones del ascensor a los botones de stop de los autobuses o las teclas del ordenador.

Sensor IR

El sensor infrarrojo o IR es un dispositivo que emite una luz infrarroja y detecta la cantidad de luz infrarroja reflejada. De esta forma es capaz de diferenciar entre blanco y negro o de medir distancias en algunos casos. El sensor infrarrojo que vamos a utilizar es digital y devuelve un 1 cuando detecta mucha luz (o detecta blanco) y un 0 cuando no detecta luz (o detecta negro). Hay muchos tipos de sensores infrarrojos, y en ellos se pueden codificar mensajes en la señal del emisor que podrán ser leídos por el receptor, lo que los hace idóneos para por ejemplo mandos de televisión y diferentes dispositivos.

Sensor LDR

El sensor de luz, también conocido como LDR o fotorresistencia, es un sensor analógico que nos da una medida de la intensidad de luz. Como todos los sensores analógicos, puede dar valores comprendidos entre 0 y 1023, dando un 0 cuando se encuentra totalmente a oscuras y aumentando el valor a medida que aumenta la luz. En este tipo de sensores el rango de medida abarca también el espectro de luz visible por el ser humano por lo que es ideal en aplicaciones como las de luces automáticas (se encienden o no en función de la cantidad de luz).

Potenciómetro

Un potenciómetro es una resistencia eléctrica variable, es decir, un componente que permite regular la intensidad de la corriente eléctrica de un circuito. Se utilizan en muchos dispositivos, como en lámparas para regular la intensidad de luz o en equipos de música para ajustar el volumen. Como todos los sensores analógicos, el potenciómetro devolverá valores entre 0 y 1023.

Joystick

El joystick es un dispositivo de control con dos ejes en nuestro caso; es en realidad la combinación de tres sensores en un mismo componente, con dos sensores analógicos para controlar las posiciones horizontal y vertical, y uno digital que actúa como pulsador.

Para controlar la posición horizontal (eje x) y vertical (eje y) tiene dos potenciómetros, uno para cada dirección, que nos darán valores comprendidos entre 0 y 1023. El pulsador al ser digital, tan solo podrá dar los valores ‘0’ y ‘1’.

Por esta razón, el joystick tiene tres cables de conexión, donde si nos fijamos en las conexiones podemos ver que indica XVG (para el movimiento horizontal) YVG (para el movimiento vertical) y KVG (para el pulsador). Se puede ver el uso de este componente en los mandos para controlar videoconsolas así como en los mandos de control de algunos aviones modernos.

Botonera

La botonera no es más que un conjuntos de botones o pulsadores; se trata de un sensor de tipo analógico que transmite una señal analógica (entre 0 y 1023) que será interpretada por la placa para saber qué botón ha sido pulsado. Podría parecer un sensor digital, puesto que tiene pulsadores (que se han definido como digitales), pero se trabaja con una señal analógica ya que si no sería imposible determinar qué botón ha sido pulsado si la placa recibe tan solo un ‘1’ o un ‘0’. Este componente se puede encontrar por ejemplo (con muchos mas botones) en los teclados de ordenador.

Ultrasonidos

Un sensor de ultrasonidos es un componente capaz de medir distancias. Utiliza ondas de alta frecuencia y mide el tiempo que tarda la onda en regresar para medir la distancia a un objeto. Este tipo de sensores tiene dos partes, una es el emisor que emite la señal y la otra el receptor que recibe la señal si ésta rebota sobre algún obstáculo cercano. Pueden ser utilizados para detectar cualquier material capaz de rebotar las ondas de sonido, lo que incluye líquidos e incluso material en suspensión

Este sistema es el mismo que utilizan los murciélagos para orientarse y debido a las propiedades que se han explicado es muy útil para medir el nivel de llenado de tanques con líquido, que dejarían pasar la luz utilizada por otros sensores.

¿Cómo conectamos los sensores y los actuadores?

Todos los componentes del kit vienen con tres cables preparados para conectarse directamente a la placa Zum Core sin necesidad de montar ningún circuito extra; para conectarlos solo tienes que tener en cuenta los colores de los cables para conectarlos correctamente a los pines macho de la placa.

Puedes conectar componentes que no sean del kit, recuerda que en este caso debes saber cómo montar el circuito que dé protección y asegure el funcionamiento de cada componente.

Como puedes ver en la imagen, los colores de los cables pueden variar, pero eso no tiene que asustarte. En todos los casos habrá:

  • Cable rojo: alimentación 5V

  • Cable negro: tierra o GND

  • Otro color (blanco, azul, amarillo e incluso verde): cable de datos. Será el que conectemos a un pin (digital o analógico dependiendo del componente) para leer o escribir sobre ellos.

Para conectarlos haz coincidir los colores de los cables del componente (rojo y negro) con los de los pines macho, ¡y listo!

En algunos componentes el numero de cables es superior y sobrepasa el número de pines macho que admite cada pin digital/analógico de la Zum Core. No tienes que preocuparte, ¡cuando lleguemos a ello te explicaremos cómo conectarlos!

LOS ACTUADORES

Los actuadores (también conocidos como dispositivos de salida o outputs) son dispositivos controlados por la placa Arduino. La placa le dice a estos dispositivos qué hacer con un programa. Los LEDs, zumbadores, motores, servos y pantallas son ejemplos de dispositivos de salida.

LED

Un LED (light-emitting diode) es un componente capaz de emitir luz; más concretamente se trata de un diodo, un componente que solo deja pasar la electricidad en un sentido y la bloquea en el otro. En el caso de los LED, cuando circula electricidad emiten luz. Los LED son baratos, gastan muy poca energía y pueden llegar a ser muy luminosos. Se utilizan mucho en sistemas electrónicos y están sustituyendo a la iluminación tradicional por su eficiencia.

Zumbador

El zumbador o buzzer, es un componente capaz de producir sonidos a diferentes frecuencias. Son utilizados en multitud de sistemas para producir señales o avisos, como en despertadores, timbres, temporizadores de electrodomésticos (como el de un horno), etc.

Miniservo

Un servomotor es un pequeño motor que es capaz de girar entre 0 y 180 grados, por lo que no puede dar vueltas completas, aunque lo interesante de los servomotores es que nosotros decidimos a qué posición o ángulo deben moverse. Se pueden encontrar en aeromodelismo, en el timón de los aviones donde es necesario conocer la posición del motor (ángulo de giro).

Servomotor de rotación continua

Un servo de rotación continua es un motor cuyo circuito electrónico nos permite controlar la dirección de giro así como la velocidad del mismo. A diferencia del miniservo, no se detiene en una posición, sino que gira continuamente.

Son muy utilizados en robótica y en muchas aplicaciones electrónicas, como en lectores de DVD, escaleras mecánicas, ascensores, etc., donde es necesario conocer la velocidad y dirección de giro.

Dispositivos analógicos y digitales

Los dispositivos de entrada y salida se pueden clasificar como digitales o analógicos. Los componentes digitales funcionan con dos valores: encendido y apagado.

Por norma general, tomaremos 1 como encendido y 0 como apagado. Normalmente les asociaremos los valores 0 V y 5 V.

Los interruptores, los LEDs y algunos sensores son componentes digitales comunes. Estos componentes se conectan a los pines 0 a 13 en la placa Arduino. Se encienden enviando cinco voltios (llamados HIGH en el lenguaje de programación de Arduino) de electricidad al circuito y se apagan enviando cero voltios (llamados LOW en el lenguaje de programación de Arduino) al circuito.

Mientras que los componentes digitales están activados o desactivados, los componentes analógicos pueden estar activados, desactivados o en cualquier punto intermedio. Tienen un rango de valores 0 y 1.023. Por ejemplo, un sensor de temperatura conectado al pin A0 podría devolver un valor de 620 en función de la temperatura de la habitación. El microcontrolador puede interpretar este valor de 620 como 70°F o 21°C. Los pines analógicos en la placa Arduino se usan solo para dispositivos de entrada como sensores.

Clasifica los siguientes dispositivos como digitales o analógicos:

  • Interruptor de luz

  • Rueda de control de volumen

  • Luz intermitente de un coche

  • Valor de temperatura en el ambiente

  • Iluminación

  • Multímetro