control y robótica - oupe.es · 2. estas máquinas son muy complejas, ... las escaleras...

1. Actualmente disponemosde máquinas o dispositivosque nos facilitanenormemente la vida. Solocon apretar un botón,conseguimos que realicen lastareas que queremos:mantener una temperaturaagradable en una habitación,despertarnos, lavar la ropa…Pon algún ejemplo más.

2. Estas máquinas son muycomplejas, pero existen otrasaún más avanzadas: losrobots. ¿En qué crees que sedistinguen de las anteriores?

3. ¿Cómo sabe una lavadoraen qué momento tiene quedescargar agua, añadir jabón ohacer girar el tambor?

4. ¿Qué significa programarun ordenador?

CU

EST

ION

ES

Control y robótica

0S4TELA_ADARVE(2011).05 28/2/11 15:24 Página 118

Automatismos

Un logro importante del proceso tecnológico es el desarrollo de sistemasque funcionan prácticamente sin intervención humana. De esta forma se haconseguido que tareas repetitivas o que requieren mucho esfuerzo sean rea-lizadas por máquinas. Piensa, por ejemplo, en un ascensor. Basta con pulsarun botón para que traslade al usuario a cualquier piso.

Cuando las tareas requieren el desplazamiento o la elevación de cargas, oun movimiento continuo, el uso de mecanismos facilita su realización.Combinando elementos eléctricos y mecánicos, es posible diseñar un siste-ma automático que funcione sin necesidad de realizar ningún esfuerzo:

En este caso, la pila o batería proporciona la energía. Si actuamos sobre elconmutador doble A, variamos el sentido de giro del motor. El giro del ejedel motor es transformado mediante distintos mecanismos para elevar lacarga.

RealimentaciónEl principal inconveniente del sistema anterior es

que no tiene en cuenta si la carga ha alcanzado el límitesuperior o inferior. Normalmente, en un sistema decontrol es preciso conocer el estado dela salida en cada momento. Esto es loque se conoce como realimentación.

Para ello, podemos servirnos deinterruptores de fin de carrera conobjeto de detectar la posición de lacarga y detener el motor si esta hallegado abajo o arriba.

1

Control y robótica 119

Fíjate en las siguientes figuras:

a) ¿En cuál de los dos casos se realiza menos esfuerzo?

b) ¿Dónde se ha utilizado un mecanismo? ¿De quémecanismo se trata?

c) ¿Se te ocurre algún modo de automatizar estastareas?

Ref lex iona

�

�

M

eje A

eje B

engranaje

piñón-cremallera

polea

A

9 V

�

�

M

abajo

9 V

arriba

Actividades

Dibuja el sistema completo delevantamiento de cargas descritoen el texto usando dos finales decarrera y sustituyendo el engranajepor un sistema tornillo sin fin-corona.

Explica por qué es más adecuadousar un tornillo sin fin-corona en elsistema de levantamiento de cargas.

2

1


1.1. Sistemas de control

El dibujo anterior representa un sistema automático de control de tem-peratura. La única intervención humana que necesita es la fijación de latemperatura deseada.

En general, todos los sistemas automáticos tienen una estructura similar:un sensor, un controlador y un actuador. En nuestro caso el sistema lo com-ponen tres elementos principales:

� Un sensor que mide la temperatura ambiente. Los sensores sonelementos que captan información del entorno y se usan para medirmagnitudes f ísicas: velocidad, temperatura, humedad del ambiente,presión, intensidad de la luz, etcétera.

� Un circuito controlador que, en función de la información proporcio-nada por el sensor, activa o no el radiador. En los sistemas automáticosel controlador puede ser desde un sencillo circuito eléctrico hasta unordenador.

� Un elemento actuador encargado de llevar a cabo la acción para la quese ha diseñado el sistema automático. En nuestro caso sería el radiador.Habitualmente son motores, lámparas, cilindros o válvulas neumáticas,etc., los que desempeñan esta función.

El sistema anterior puede representarse mediante el siguiente diagramade bloques:

Un sistema de control es un conjunto de elementos que, interconectados,permiten automatizar una máquina o un proceso.

� La entrada (E) es la información que recibe el sistema: en nuestroejemplo, la temperatura de la habitación.

� La salida (S) es la respuesta del sistema a esa información: el encendidoo apagado del radiador.

120 UNIDAD 5120

salidaentrada sensor

medidorde temperatura

controlador

circuitoelectrónico

actuador

radiador

procesoa controlar

temperatura dela habitación

Actividades

Indica cuál es el sensor y el actua-dor en el siguiente sistema automá-tico.

3

proceso

entrada

salida

Indica qué elementos se usan para controlar la temperatura en la habitación dela figura y qué función realiza cada uno de ellos.

Ref lex iona

sensor

controlador

actuador


Tipos de sistemas de controlNo todos los sistemas automáticos realizan su función correctamente.

Observa lo que ocurre con este sistema de riego automático que ha sido pro-gramado para regar por las tardes.

Esté seca o húmeda, la planta se riega. Un sistema como este, que se activasin tener en cuenta el estado de la salida, recibe el nombre de sistema decontrol en lazo abierto:

Se utilizan sistemas de control en lazo abierto, por ejemplo, en una tosta-dora de pan, un reloj, un semáforo, etcétera.

Para solucionar el problema anterior se debe diseñar un sistema cuyofuncionamiento dependa de la salida en cada momento, es decir, un sistemaque mida continuamente el grado de humedad de la planta y ponga en mar-cha el riego solo cuando sea necesario. En estos casos, se dice que existe unarealimentación de la salida a la entrada:

Cuando la salida se compara con la entrada con el fin de corregir posi-bles errores debidos a perturbaciones que afecten al sistema, se habla de unsistema de control en lazo cerrado.

Otros sistemas de control en lazo cerrado son el mecanismo de llenadode una cisterna de agua, los sistemas automáticos de iluminación, etcétera.

Actividades

Pon un ejemplo de un sistema de control en lazo cerrado y dibuja el corres-pondiente diagrama de bloques.

¿Qué representa el siguiente esquema?

Las escaleras mecánicas, ¿constituyen un sistema de control en lazo cerradoo en lazo abierto? Razona tu respuesta. 6

5

4


comparadorcontrolador

cerebro manos direcciónreal

direccióna seguir

hoja conmi nombre

ojos

actuador proceso

realimentación

E S

SE

procesoactuadorcontrolador

humedadrelojprogramador

humedadde la tierra

procesoactuadorcontrolador

sensor

SE

realimentación

comparador

relojprogramador

humedadde la tierra humedad

humedad

informa al sistemadel estado de

salida


Sensores

En este apartado analizaremos los sensores que se usan habitualmente enlos sistemas de control.

2.1. Sensores de temperatura

Los sensores de temperatura se basan en diferentes fenómenos f ísicosque dependen de la variación de temperatura: la dilatación de los metales, elcambio de la resistencia eléctrica o la emisión de radiación infrarroja.

Sensores basados en la dilataciónLos cuerpos experimentan un aumento de tamaño con la temperatura.

Este fenómeno se ha utilizado tradicionalmente para medir la temperaturamediante termómetros de mercurio.

También se basan en este hecho las láminas bimetálicas utilizadas paracontrolar la temperatura de las planchas y los secadores de pelo. El mecanis-mo consiste en dos láminas metálicas unidas entre sí. A temperaturaambiente ambas tienen la misma longitud, pero cuando se calientan (porejemplo, por el paso de aire caliente) cada una se dilata de distinta manera yel conjunto se dobla: esta deformación se aprovecha para impedir el paso dela corriente y desconectar el aparato.

Esquemas de una plancha y de la lámina bimetálica.

Las láminas bimetálicas también se emplean en tostadoras, estufas…

Actividades

Al dispositivo que permite regular la temperatura de funcionamiento de laplancha se le denomina termostato. Cita otros aparatos que lo contengan.

Indica qué ocurriría en cada uno de los aparatos mencionados anteriormentesi el termostato dejara de funcionar.

2

8

7

122 UNIDAD 5122

láminabimetálica

caliente

regulador

contactos

pulverizador

salida del vapor

depósitode agua

termostato

resistencia

resistencia

indicador

Termómetro de mercurio.

Observa estas imágenes y con-testa:

a) ¿Sabrías indicar varios siste-mas de control en los quesea necesario medir la tem-peratura?

b) ¿Usan todos el mismo tipode sensor?

Ref lex iona


Sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica� Termorresistencias o RTD (detectores de temperatura resistivos).

Se basan en la variación de resistencia que experimentan los metalesen función de la temperatura. Para obtener este tipo de sensoresse enrolla un hilo muy fino de platino o níquel en un aislante. Las RTDde platino se usan para medir temperaturas de hasta 600 °C.

� Termistores. Se basan en la variación de la resistencia de un semicon-ductor en función de la temperatura. La principal ventaja respecto alas RTD es que responden más rápidamente a los cambios de tempe-ratura. Pueden ser de dos tipos:a) Termistores PTC (coeficiente

de temperatura positivo). Suresistencia aumenta con latemperatura.

b) Termistores NTC (coeficien-te de temperatura negativo).Su resistencia disminuye alaumentar la temperatura.

� Termopares. Están formados por dos metales diferentes. En el puntode unión de los mismos se genera un voltaje proporcional a la tempe-ratura que deseamos medir.

Se usan cuando es preciso medir un amplio margen de temperaturas(procesos industriales, obtención de acero, investigación médica, etc.).Así, por ejemplo, con un termopar como el de la figura podemosmedir temperaturas entre �200 °C y 1 200 °C.

Sensores sensibles a la radiación infrarroja¿Sabes qué tienen en común las cámaras de visión nocturna, los sistemas

detectores de incendios y los detectores de presencia que permiten abrirautomáticamente una puerta?

Dado que todos los cuerpos emiten una radiación infrarroja proporcionala su temperatura, mediante sensores de infrarrojos se puede medir sutemperatura sin estar en contacto directo con estos cuerpos.

Actividades

Realiza un cuadro resumen de los sensores de temperatura que hemos estu-diado.

Los sensores de movimiento se basan en la detecciónde los cambios de radiación infrarroja de los objetos pró-ximos a ellos. ¿Para qué crees que sirve la lente de plásticoque llevan encima?

10

9


Termistores.

níquel-cromo

aluminio-cromo

12,2 mV300 °C

Termopar que produce 12,2 mV a 300 °C. Termómetro basado en un termopar.

Termómetro clínico de infrarrojos.En medicina se usan termómetros quemiden la temperatura sin que existacontacto directo con el cuerpo.


2.2. Sensores de posiciónEl empleo de este tipo de sensores en un sistema automático permite

conocer la posición de un objeto. Por ejemplo, en el caso del ascensor, si yaha llegado al piso seleccionado o, en un sistema de alarma, si alguien haabierto una puerta.

Interruptores mecánicosSe produce la detección del objeto por contacto de este con el interrup-

tor. Los más usados son los interruptores de final de carrera, que incorporanuna lámina sobre la que choca el objeto y que activa el interruptor.

Interruptor de final de carrera.

Interruptores de proximidad magnéticosEstán formados por dos láminas metálicas imantadas que modifican su

posición cuando aproximamos un imán.

Interruptor de proximidad magnético.

Se usan para determinar la posición de objetos, por ejemplo en la aperturade puertas y ventanas.

Sensores de posición ópticos

La detección de objetos se realiza emitiendo un rayo de luz y compro-bando si alcanza al receptor. Como emisor suele utilizarse un diodo LED deradiación infrarroja, para evitar interferencias con la luz visible. La intensi-dad luminosa puede registrarse en el receptor mediante resistencias LDR,fotodiodos o fototransistores:

� Resistencias LDR. Modifican su valor en función de la intensidadluminosa que incide sobre ellas.

LDR.

124 UNIDAD 5124

Sensor tipo flotador

Para detectar el nivel de líquidosse usan habitualmente sensorestipo flotador como el utilizado enel sistema de llenado automáticode la cisterna del inodoro.

tiradorboca de llenado

boya

guíadeslizante

tapón

émbolo

tapónsalidade agua

cilindro

Sistema de alarma mediante interruptorde proximidad magnético.

Observa esta ilustración y explica cómo puede funcionar el sistema de puertasautomáticas en un ascensor.

Ref lex iona

emisor receptor


� Fotodiodos y fototransistores. Se activan mediante la luz.

Se utilizan en apertura de puertas, sistemas de alarma, lectores de códigode barras, periféricos de ordenador, etcétera.

Otros sensores de posiciónDependiendo de las características del objeto que hay que detectar, se

emplean otros dispositivos. Por ejemplo, la detección de objetos metálicospuede basarse en las propiedades magnéticas de estos; así, en un sistemaantihurto de un supermercado, la presencia de un determinado materialmodifica la señal que llega al receptor:

Para detectar la presencia de otros materiales, como madera, papel olíquidos, se pueden emplear detectores capacitivos, formados por uncondensador cuya capacidad se altera en presencia de esos materiales. Estosdispositivos se usan en sistemas de llenado automático de botellas, corte de pie-zas de madera, empaquetado de folios, etcétera. Asimismo, muchas pantallastáctiles basan su funcionamiento en detectores capacitivos.

Actividades

La siguiente figura representa un sensor de posición construido a partir deun potenciómetro. Explica cómo podemos conocer la posición del objeto.

¿Qué representa el dibujo del margen?

Investiga en Internet qué tipo de sensor utiliza un robot capaz de seguir unalínea marcada en el suelo.13

12

11


Ratón óptico

Los ratones ópticos analizan, me-diante un sensor óptico y un pro-cesador, la luz que emite un LED.Otros dispositivos emplean unarueda con ranuras (llamada encor-der) para determinar su posición.

Interior de un ratón óptico.

Fotodiodos. Fototransistor y símbolo del mismo.

transmisor receptor

objeto

lámina deslizante

resistencia

diodo receptor LED infrarrojo

obstáculo


2.3. Sensores basados en la variaciónde fuerza y presión

Galgas extensiométricas¿Te has preguntado alguna vez cómo

una báscula es capaz de determinar elpeso de una persona?

Las básculas utilizan unos sensoresdenominados galgas extensiométricas.Estas están formadas por una fina láminametálica depositada sobre un materialflexible. Cuando se deforma, se produceuna variación de la resistencia de la mis-ma (debido al cambio de forma y a lapresión) proporcional a la deformaciónproducida por el peso del objeto.

Estos dispositivos se emplean en bás-culas, para controlar deformaciones (enedificios, puentes, etc.), para medir lapresión, etcétera.

Otras formas de medir la presiónExisten otras formas de medir la presión. Un modelo de sensor muy usado

(por ejemplo, para medir la presión de los neumáticos) es el tipo Bourdon,en cuyo interior hay un tubo flexible que modifica su forma en función de lapresión de entrada.

Actividades

¿Qué representan los siguientes dibujos? ¿Qué ventajas tiene este tipo desensores?14

126 UNIDAD 5126

Sensor de presión mediante galgaextensiométrica.

presión de referencia

presiónde entrada

Para medir la presión de los neumáticosse utiliza un sensor de presión tipo Bourdon.

Esquema de un sensor de presión de tipoBourdon.

La medida de la presión arterial es unapráctica habitual en medicina. Para ello,se emplea normalmente un aparatodenominado esfigmomanómetro.

agujaindicadora

estadooriginal

tubodeformado

tuboBourdon

P


2.4. Otros sensores

Actividades

Obtén información sobre otros sensores. Para ello, puedes utilizar libros oInternet.

� Con los datos obtenidos, elabora en tu cuaderno una tabla similar a la mostradaen el texto.

15


Humedad

Están formados por dosláminas metálicas muypróximas cuya resistencia ocapacidad varía con lahumedad.

Gases o humos

Capaces de detectar lapresencia de gases. Porejemplo, el sensor demonóxido de carbono de lafigura basa sufuncionamiento en lamodificaciónde la resistencia eléctrica enpresencia de este gas.

Sonido

diafragmaSe basan en la modificaciónde la capacidad a causa delmovimiento de undiafragma producido por lasondas de sonido, o en elefecto piezoeléctrico:variación de la resistenciaeléctrica con la presión.

Parámetros biológicos (glucosa, oxígeno en sangre, imágenes de huesos…)

Se usan películas sensibles alos rayos X, ondas luminosasque varían sus parámetrosen función de lacomposición de unasustancia, biosensores(algas, bacterias), etcétera.

Sensor de humo. Está formado por uncircuito electrónico capaz de detectarconcentraciones anómalas de gases,como el monóxido de carbono.

Te i n t e r esa sabe r

� El micrófono electret contiene untransistor para ampliar la señal de so-nido.

Micrófono electret y símbolo del mismo.

� El sensor de ultrasonido (sonidocon una frecuencia superior a la audi-ble por el oído humano) se utiliza pa-ra detectar objetos mediante la emi-sión y recepción de ondas sonoras.

Sensor de ultrasonido.


Control electromecánico

Los sistemas electromecánicos se basan en la activación de dispositivosmediante el desplazamiento de piezas móviles. Estudiaremos el uso de laleva, del final de carrera y del relé en este tipo de sistemas.

3.1. Leva

Cada uno de los salientes que al girar accionan los contactos recibe elnombre de leva. Mediante estos elementos podemos controlar el momentoy el tiempo de activación de cada bombilla.

3.2. Interruptor de final de carreraEl interruptor de final de carrera se puede usar como controlador en

sistemas automáticos para activar o desactivar otros dispositivos. En elsiguiente ejemplo se utiliza para controlar el nivel de líquido en un depósitode agua:

Actividades

El dibujo de la derecha representa unrobot controlado mediante un interrup-tor de final de carrera.

� Explica cómo funciona el sistema decontrol, cuyo esquema eléctrico apa-rece representado en el margen.

16

3

128 UNIDAD 5128

fin decarrera

bomba de agua

flotador

M

�

�

común, C

reposo, R

activado, A C A R

1,5 V

1,5 V

�1,5 V

1,5 V�

Observa el siguiente sistema de control de un semáforo de peatones:

Ref lex iona

bote chapaslevas contactos

alambre


3.3. ReléComo ya sabes, un relé está formado por una bobina y una lámina metá-

lica móvil unida a unos contactos.Cuando hacemos pasar una corriente eléctrica por la bobina, esta se com-

porta como un imán y atrae la lámina, que a su vez cambia la posición de loscontactos.

Aplicaciones del relé al control de sistemas

Cambio del sentido de giro de un motor

El pulsador P debe estar colocado en el suelo a la entrada del garaje. Losdos finales de carrera deben estar colocados en cada uno de los extremos dela puerta.

Si la puerta está cerrada, el final de carrera b está accionado y, por tanto,abierto: el motor estará parado. Cuando accionamos el pulsador, se activa elrelé, el conmutador doble cambia de posición y el motor comienza a girar,hasta que la puerta haga contacto con el final de carrera a.

Si dejamos de accionar el pulsador, el relé se desactiva y el conmutadordoble vuelve a su posición original, con lo que el motor cambia su sentido degiro; se detendrá cuando la puerta se cierre completamente, momento enque se acciona el final de carrera b.

Activación de un relé mediante un sensorEn este caso necesitamos un transistor para proporcionar la corriente

suficiente de activación del relé.

Cuando incide luz sobre la LDR, su resistencia disminuye y permite quecircule corriente por la base del transistor, con lo que tanto este como el relése activan.


armaduracontactos

electroimán

bobina

El relé, símbolo y funcionamiento.

6 V

10 kΩ

1 kΩ relé

LDR

Actividades

El circuito inferior representa unsistema automático de riego. Con-testa las siguientes preguntas:

a) Indica el nombre de todos loscomponentes necesarios para reali-zar el montaje.

b) Explica su funcionamiento.

c) ¿Qué elemento habría que aña-dir?

17

�12 V

salid

a

R1

10 k�D1

1N 4001

Q1

2N 3904Q2

2N 3904

tierra

Observa el circuito de apertura y cierre de la puerta de un garaje que aparece acontinuación:

� ¿Cómo funciona?

Ref lex iona

3 V

6 V

P

bobinade relé

a b

M


Control electrónico

El control electrónico se basa en el empleo de transistores y de circuitosintegrados como controladores.

4.1. Control mediante transistoresEl transistor recibe normalmente la pequeña señal eléctrica que propor-

ciona el sensor a través de su base y entrega una corriente mucho mayor quepone en funcionamiento el actuador. En el ejemplo siguiente, el motor sepone en marcha cuando la temperatura sobrepasa cierto valor:

Este mismo circuito puede utilizarse con otro tipo de sensores (LDR,finales de carrera…) y actuadores (lámparas, timbres…)

Actividades

Los siguientes circuitos son especialmente útiles para el control de robots.Haciendo uso de un simulador, investiga cómo funcionan.

a) Cambio de sentido con retardo.

b) Cambio de sentido sin relé.

18

4

130 UNIDAD 5130

NTC

�

�

2,2 k�

M

4,5 V

BC548B

12,7 k�

10 k�

�t°

BC548B

40200

�20°C

presión

bombilla

luz

LED

calor

humedad

timbre

motor

CIRCUITODE CONTROL

El circuito de control recibe como entradala señal eléctrica que proporciona unsensor y pone en marcha un actuadoren función del valor de dicha señal.

1k�

2N2222

NA

�

2 200 �F

M� 6 V

� 6 V

bobinade relé

560 �

100 �

3 V

�

�

�

�

1 k�

M

3 V

1 k�

3 V

3 V

3 V


4.2. Control mediante comparadoresPara entender este tipo de control, vamos a utilizar el ejemplo siguiente:

control del encendido/apagado de una farola mediante la luz solar. Podemosrepresentar el sistema de control mediante este diagrama de bloques:

Este sistema precisa un circuito similar al siguiente:

El LED se enciende automáticamente cuando no incide luz sobre la LDR. Se ha utilizado un elemento ya conocido, el comparador LM 741: la pati-

lla 7 se conecta al polo positivo de la pila y la patilla 4 al negativo. El voltajeen la patilla 6 (salida) es de 9 V si en la patilla 3 (entrada positiva) la tensiónes mayor que en la patilla 2 (entrada negativa); y al contrario, si la tensión enla entrada negativa es mayor que en la entrada positiva, la salida pasa auto-máticamente a 0 V.

En otras palabras, si se tapara con la mano la LDR (como si se hiciera denoche), su resistencia aumentaría mucho, la tensión en la entrada negativadel comparador disminuiría y la salida alcanzaría los 9 V.

La etapa de potencia Para el control del encendido/apagado de una farola, se modifica el cir-

cuito anterior que enciende un LED y se sustituye por una bombilla quefunciona a 230 V. Para ello, necesitamos un relé: se conecta la bobina alcircuito de 9 V y la lámina metálica al circuito de 230 V.

Como el compa-rador es incapaz deactivar el relé, seinstala un transistorque funciona comointerruptor. Cuandoel comparador leproporciona una pe-queña corriente, eltransistor se activa yacciona el relé.


230 V

fijacióndel nivel deoscuridad

que activarála lámpara

circuitocontrolador

sensorcomparador

�9 V

�

R1

10 k�

�

�

LDR

R3

470 �

R2

470 �

R

LM741P

10 k�

2

3

76

330 �

4

�9 V

�

230 V

R1

10 k�

�

�

LDR

R3

470 �

R2

470 �

LM741P

10 k�

2

3

76

Op - Amp

R4

10 k�

D

1N4001

BC548B

bobinade relé

R5

1 k�

4

Sistemas de controlprogramado

Utilizan dispositivos que almacenanen su interior un programa. Estosdispositivos pueden ser micro-procesadores, microcontroladores(circuitos integrados que incluyenun microprocesador, una memoria,entradas y salidas) o autómatas pro-gramables, que incorporan, además,la etapa de potencia.


Control programado

Los sistemas de control programado utilizan dispositivos que puedanalmacenar un programa en su interior. De esta forma, para cambiar su fun-cionamiento no es necesario alterar ningún circuito, basta con cambiar lasinstrucciones del programa.

5.1. Control mediante ordenadorActualmente, muchos sistemas automáticos se controlan mediante orde-

nadores. Para controlar procesos mediante ordenador necesitamos una tar-jeta controladora y un programa que la controle:

� La tarjeta controladora permite comunicar el ordenador con el robotque va a ser controlado. Mediante esta tarjeta, el ordenador obtendrádatos de los distintos sensores del robot y, a su vez, podrá activar susmotores, luces o cualquier otro actuador.

La controladora se conecta aun puerto del ordenador(serie, paralelo o USB) comosi fuera un periférico más.Contiene varias salidas yentradas, tanto digitales comoanalógicas: las entradas y sali-das analógicas admiten múlti-ples valores; las digitales, sinembargo, solo pueden tomarlos valores 0 o 1.

� El programa o conjunto de instrucciones se almacenan en la memo-ria del ordenador y determinan el funcionamiento del sistema. Losprogramas se realizan mediante lenguajes de programación. Los másusados con las controladoras son Basic, Visual Basic, C y Logo.

Actividades

Busca en Internet información sobre alguna controladora: entradas y salidas,lenguajes de programación que admite, conexión al ordenador, etcétera.19

5

132 UNIDAD 5132

Tarjeta controladora. Se observan distintosconectores para las entradas y salidasanalógicas y digitales, así como el conectorpara el puerto serie del ordenador. salida

digital

0 V

5 V

5 V

5 V

entradadigital

salidaanalógica

entradaanalógica

5 V

�t°1,7 V

5 V

5 V

1,4 V

1

controladora

ordenador

0

1

1

1


5.2. Adquisición de datosEn un sistema de control, el ordenador tiene que captar datos de su entor-

no. Como sabemos, el ordenador solo puede manejar señales digitales, estoes, compuestas exclusivamente por ceros y unos. Sin embargo, cualquierparámetro f ísico (temperatura, luz…) puede tomar infinidad de valores(7,5 °C, 19 °C, �4 °C). Estas últimas son señales analógicas.

El ordenador necesita por tanto un traductor, es decir, un elemento quetransforme las señales analógicas en digitales:

El dispositivo que permite al ordenador adquirir datos se conoce comoconversor analógico a digital (ADC), que se caracteriza por el número debits que asigna a cada muestra de la señal analógica. Así, un conversor de 3 bitsasignará los valores 000, 001, 010… hasta 111 para el valor máximo de laseñal de entrada.

En el ejemplo siguiente veremos cómo se puede realizar una conversiónde este tipo. Como se ve en el gráfico, la señal analógica presenta valores devoltaje comprendidos entre 0 V y 5 V:

Observa que la señal analógica se ha dividido en ocho intervalos iguales.El valor del intervalo se obtiene dividiendo el valor máximo de la señal ana-lógica (5 V) entre el número de intervalos (8). En nuestro caso:

� 0,625 V

Actividades

Imagina una tarjeta controladora que incorpora un conversor analógico adigital de 16 bits para señales analógicas que varían entre 0 y 10 V. Calcula elnúmero de intervalos que utilizará el ADC y el valor del intervalo.

Analiza el funcionamiento del circuito del margen. ¿Se puede considerar unADC? ¿Por qué?21

20

58


ADCentrada

analógica

PC salida

�5 V

5,0

2,50

1,25

00 50 100 150 200

tiempo (ms)

señal analógica

ampl

itud

(V

)

señal digital

111

110

101

100

011

010

001

000

ADCValor analógico Salida digital

0 - 0,625 V 000

0,625 V - 1,25 V 001

1,25 V - 1,875 V 010

1,875 V - 2,5 V 011

2,5 V - 3,125 V 100

3,125 V - 3,75 V 101

3,75 V - 4,375 V 110

4,375 V - 5 V 111

Tabla de conversión de un ADC de tres bits.

5 V

NTC

0

0

0

1

1 k�

1 k�

1 k�

1k�

1 k�

1 k�

1 k�

1 k�

1 k�

10 k�

�t0

5 V

VS


MSWLogo

Para familiarizarnos con los lenguajes de programación, vamos a practi-car con uno muy sencillo denominado Logo, que nos permitirá dar órdeneso instrucciones a una pequeña tortuga situada en el centro de la pantalla,representada mediante un triángulo. Después aprenderemos a realizar pro-gramas para controlar sistemas automáticos y robots.

6.1. Logo, nuestro primer lenguaje de programaciónSi ejecutamos MSWLogo, aparecerá una ventana para introducir las

órdenes o instrucciones (Trabajo) y otra donde se verán los resultados(Pantalla):

Para que la tortuga ejecute nuestras órdenes, debemos pulsar Ejecutartras escribirlas.

A continuación figuran algunas de las instrucciones más utilizadas en Logo:

Actividades

Da las órdenes necesarias a la tortuga para realizar un dibujo como el de lafigura del margen.

22

6

134 UNIDAD 5134

Orden Forma abreviada Significado

AVANZA n AV n Avanza n pasos

RETROCEDE n RE n Retrocede n pasos

GIRADERECHA n GD n Gira a la derecha n grados

GIRAIZQUIERDA n GI n Gira a la izquierda n grados

ROTULA [frase] RO [frase] Escribe una frase

CENTRO Se dirige al centro

PONCOLORLÁPIZ n PONCL n Selecciona un color de lápiz

BORRAPANTALLA BP Borra la pantalla

SUBELÁPIZ SL No pinta al desplazarse

BAJALÁPIZ BL Pinta al desplazarse


Para instalar MSWLogo en Linux te-nemos que utilizar un programaemulador que permite ejecutar apli-caciones diseñadas para un sistemaoperativo en otro. Wine es uno de losmás usados.


6.2. Editar Procedimientos

Hemos hecho uso de algunas órdenes de la tabla anterior para dibujar tansolo una pequeña parte de la espiga.

Para dibujar la espiga completa habría que escribir las órdenes ochoveces. Afortunadamente existe una forma más sencilla de hacerlo:

REPITE 8 [AV 15 GD 45 AV 40 RE 40 GI 90 AV 40 RE 40 GD 45]

La orden REPITE n [instrucciones] ejecuta n veces un conjunto de instrucciones.

Pero todavía podemos mejorar la solución si creamos un procedimientoque incluya ese conjunto de instrucciones, de modo que baste con escribir elnombre del mismo, en nuestro caso, espiga.

Para crear el procedimiento, seleccionamos Archivo � Editar; en EditarProcedimiento escribimos espiga y en la ventana del Editor copiamos lasórdenes, tal como se indica a continuación:

Terminamos la creación del procedimiento espiga seleccionandoArchivo � Guardar y salir.

Actividades

Crea los siguientes procedimientos y comprueba el resultado.

Escribe un procedimiento llamado flor que realice la figura del margen.24

23


para triángulorepite 3 [av 100 gd 120]fin

para cuadradorepite 4 [av 100 gd 90]

fin

para círculorepite 360 [av 1 gd 1]

fin

� �


Seleccionando Archivo � Guardarcomo puedes guardar en un archivotodos los procedimientos que realices.

Posteriormente podrás recuperarlosmediante Archivo � Cargar.

¿Cómo se podría realizar el dibujo de la espiga?

Ref lex iona

AV 15GD 45AV 40RE 40GI 90AV 40RE 40GD 45


6.3. VariablesSi observas los siguientes dibujos,

verás que solo se diferencian en el color yen la altura:

El color y la altura son, por tanto,variables.

Vamos a realizar el procedimiento del margen, que permite dibujar cual-quiera de las espigas anteriores:

Una vez guardado el procedimiento espiga, escribimos «espiga 5 4».Si la variable :n (altura) toma el valor 5 y la variable :c (color) el valor 4,

aparecerá en la pantalla una espiga de altura 5 y de color 4, o sea, rojo.

6.4. Entrada, proceso y salidaEn ocasiones, el ordenador necesita que el usuario introduzca datos para

poder resolver un problema. Estos datos y el resultado obtenido se almace-nan en variables. Lo entenderemos mejor analizando el siguiente programa,que calcula el área de un círculo:

� En la pantalla aparece la frase Teclea el radio.� La instrucción HAZ “r LEEPALABRA asigna a la variable :r el valor

tecleado. Si, por ejemplo, hemos escrito 2, :r valdrá 2.� HAZ “area 3.14 * :r * :r calcula el área realizando la operación

area � 3,14 · r · r. En nuestro caso, :area será 3,14 · 2 · 2, es decir,12,56.

� Por último, aparece el mensaje El área es 12.56 como resultado de laorden ES (FRASE [El área es ] :area).

Actividades

Realiza el siguiente dibujo por medio del procedimiento cuadrado.

Explica qué relación tiene el siguiente programa con la figura.26

25

136 UNIDAD 5136

para areacirculoES [Teclea el radio] EntradaHAZ “r LEEPALABRAHAZ “area 3.14 * :r * :r ProcesoES (FRASE [El área es ] :area) Salida

fin

para saludoES [¿Cómo te llamas?]HAZ “nombre LEEPALABRAREPITE 8[sl gd 45 ro :nombre av 70]

fin


En Logo las operaciones matemáticasbásicas se representan mediante �,�, * y /. Puedes probarlas con el si-guiente ejemplo:

HAZ “x 8 * 5 � 6 / 2

ES :x

Por otra parte, los decimales se ex-presan en notación anglosajona, esdecir, llevan puntos en vez de comas.


6.5. Ejecución condicionalImagínate que queremos activar un ventilador cuando se alcance una

determinada temperatura o encender una bombilla a una hora concreta.¿Cómo podríamos hacerlo?

Para ello necesitamos que las instrucciones se ejecuten si se cumple unacondición. En Logo, la orden que permite hacer esto es la siguiente:

SI condición [instrucción]

Esta orden significa que solo se ejecuta la instrucción o instrucciones sise cumple la condición. Por ejemplo, el siguiente programa indica si la velo-cidad a la que se está circulando por una autopista es correcta:

Si la velocidad está comprendida entre 80 y 120, aparecerá el mensajeVelocidad adecuada. Si es mayor de 120, nos advertirá del peligro.

AlgoritmosHemos visto que programar consiste en enseñar al ordenador a resolver

problemas. Antes de escribir las instrucciones debemos estudiar la forma deresolver esos problemas. Observa, por ejemplo, cómo puede diseñarse unprograma para calcular la raíz cuadrada de un número:

Esta especie de receta o conjunto de pasos se llama algoritmo: método oconjunto ordenado de operaciones que permite resolver un problema. Pararepresentarlo gráficamente hemos usado un diagrama de flujo.

Actividades

Realiza el diagrama de flujo de un programa que permita determinar si unnúmero es par o impar.

27


para autopistaHAZ “v azar 150 ;genera un número entre 0 y 150ES :vSI y (:v�80) (:v�120) [ES [Velocidad adecuada]]SI :v�120 [ES [Peligro de accidente]]

fin

para raíz

SI

NO

ES (introduce un número)

HAZ "n LEEPALABRA

SI :n�0 [ES [error: el número es negativo]]

SI no :n�0 [HAZ "a rc :n ES [la raíz es] ES :a ]

fin

inicio

introducirnúmero n

¿n�0?

error: el númeroes negativo

la raíz es:a

a = √n

fin

EJEMPLOS PARA INDICARLA CONDICIÓN

Condición(:a � 7, :b � 3, :c � ”SI )

Resultado

:a � :b Verdadero

:a � 0 Falso

(:a � :b) � 10 Verdadero

:c � “NO Falso

no (:a � 0) Verdadero

y (:a � :b) (:b � 4) Verdadero

o (:a � 8) (:b � 3) Falso

o (:c � “si) (:c � “SI) Verdadero

proceso

decisión

datos

inicioy fin

salida de pantalla

Símbolos para representar los diagramasde flujo.


6.6. Logo y sus aplicacionesLogo también permite crear aplicaciones utilizando objetos como venta-

nas, botones, barras de desplazamiento, etcétera. La orden o instrucción quepermite crear una ventana es la siguiente:

CREAVENTANA “madre “nombre [título] xpos ypos anchura altura [órdenes]

Para añadir botones a la nueva ventana, usa esta orden:

CREABOTON “madre “nombre “etiqueta xpos ypos anchura altura [órdenes]

Aquí, madre indica el nombre de la ventana que contendrá el botón. Lasórdenes se ejecutarán cada vez que hagamos clic con el ratón.

A continuación se muestra un procedimiento para crear una ventana concuatro botones que permitan mover la tortuga al hacer clic sobre ellos.

Barras de desplazamientoUna barra de desplazamiento permite asignar un valor a una variable

arrastrando el ratón sobre aquella. En la ventana del margen, por ejemplo, labarra permite cambiar el valor de la temperatura.

Para crear una barra de desplazamiento, usaremos la siguiente orden:

CREABARRADESPLAZAMIENTO “madre “nombre xpos ypos anchura altura[órdenes]

El procedimiento usado para crear la ventana Temperaturas que apareceen el margen es:

Cada vez que modificamos la posición de la barra de desplazamiento, seejecuta el procedimiento leebarra. La instrucción HAZ “x leebarradespla-zamiento “barra detecta la posición de la barra de desplazamiento y asignael valor a la variable :x.

138 UNIDAD 5138

Primitiva CREAVENTANA

MadreNombre de la ventana de la que depende la nueva ventana.

NombreNombre que identifica estaventana.

Título Título de la ventana.

Xpos Posición (x e y) de laesquina superior izquierda.Ypos

AnchuraDimensiones de la ventana.

Altura

ÓrdenesÓrdenes que se ejecutaránal crear la ventana.


6.7. Ventanas predefinidasEn Logo existen ventanas que ya están diseñadas. Así, por ejemplo, la

siguiente orden o instrucción produce la ventana que figura en el margen:

SINOBOX [Pregunta][¿Estás seguro?]

Es posible recoger la respuesta en una variable mediante la instrucción:

HAZ “x SINOBOX [Pregunta][¿Estás seguro?]

Otros objetosEn el interior de las ventanas podemos insertar objetos que nos permitan

seleccionar una opción entre varias.A continuación se muestra la forma de crear botones de radio, cajas de

selección (checkbox) y listas de texto (listbox).

Para leer el estado de los distintos objetos se utilizan las siguientesórdenes:

Así, por ejemplo, el siguiente procedimiento comprobaría el estado delbotón de la luz verde y, si está seleccionado, encendería una bombilla verdeconectada a la controladora correspondiente:

Actividades

Crea una ventana con tres botones de radio que permitaponer rojo, amarillo o verde el círculo de la figura.

Investiga para qué sirven las órdenes creaestatico yactualizaestatico.

29

28


Instrucción Resultado

HAZ “a LEEBOTONRADIO “botón1 :a sería ”falso pues botón1 no está seleccionado

HAZ “b ESTADOCHECKBOX “botón3 :b sería “verdadero

HAZ “c LEESELECCIONLISTBOX “men :c�[Salidas digitales]

para luz_verdeHAZ “v LEEBOTONRADIO “botón2SI :v�”verdadero [conecta 1] ; conecta la salida 1

fin

OTRAS VENTANASPREDEFINIDAS

MENSAJE [Título][Texto]

SELECCIONBOX[Título][Lista deopciones]

PREGUNTABOX [Título][Texto]


6.8. Adquisición, almacenamientoy análisis de datos

En los sistemas de control por ordenador es muy útil almacenar enarchivos los datos procedentes de sensores externos. De esta manera, losdatos permanecen en el disco duro y pueden recuperarse para ser analizadosmediante una hoja de cálculo.

Trabajo con archivosPara crear un archivo de datos debemos seguir los siguientes pasos:1. Se abre mediante la orden

ABREESCRITURA “/carpe-ta/archivo.

2. Indicamos dónde se escribiránlos datos: PONESCRITURA“/carpeta/archivo.

3. Escribimos lo datos.4. Cerramos el archivo: CIERRA

“/carpeta/archivo e indica-mos que las próximas escritu-ras serán en la ventana de tra-bajo: PONESCRITURA [ ].

El programa anterior alma-cena en el archivo tecno.txt elresultado de un experimento quedepende del tiempo. Se trata de lacaída libre de un cuerpo que res-ponde a la fórmula s � (1/2) · gt2

(donde g � 9,8 m/s2).El resultado de la orden

ARCHIVAR_DATOS será lacreación del archivo tecno.txt.

Análisis de resultadosSe pueden analizar los

datos que se han obtenidoen una hoja de cálculo(Excel u OpenOffice.orgCalc). El análisis se realizamediante un gráfico y unestudio de la evolucióntemporal (puntos de valo-res máximos y mínimos,tiempo empleado en alcan-zar un valor estipulado,etcétera).

Actividades

Almacena en un archivo de texto los datos del espacio total recorrido cadasegundo por un objeto que se desplaza con una velocidad constante de 3 m/shasta que han transcurrido 10 s.

30

140 UNIDAD 5140

Otras órdenes a teneren cuenta

Un archivo puede abrirse para es-cribir, para leer o para añadir datos.

Órdenes en Logo

ABREESCRITURA “ARCHIVO

ABRELECTURA “ARCHIVO

ABREAÑADIR “ARCHIVO


Un bucle es un conjunto de instruc-ciones que se repiten hasta que secumpla una condición:

El bucle ejecuta las instrucciones hastaque se cumpla la condición.

HAZ.hasta[INSTRUCCIONES][condición]


Robots

A diferencia de un automatismo, un robot debe ser capaz de realizardiversas tareas. Una puerta que se abre automáticamente no es un robot,como tampoco lo es una lámpara que se enciende cuando oscurece. Nisiquiera un coche teledirigido o una muñeca que habla son robots.

Un robot es una máquina automática capaz de captar información de suentorno y de reaccionar ante ella. Además, puede programarse para realizardiversas tareas.

7.1. Arquitectura de un robotLa estructura de un robot es similar a la de cualquier sistema automático.

Básicamente se compone de sensores, un elemento de control y actuadores.

Componentes electrónicos de un robot.

En los robots, el controlador suele ser un circuito integrado llamadomicrocontrolador (ordenador miniaturizado).

Los robots se utilizan en la realización de tareas que requieren muchoesfuerzo (transporte, carga y descarga de mercancías) o en labores repeti-tivas (atornillar piezas, efectuar soldaduras, clasificar distintos elementos,envasar, empaquetar y sellar productos). También se emplean en trabajosque suponen un riesgo para la vida de las personas, como actividades queimplican el uso de productos químicos (pintura de automóviles), la manipu-lación de piezas a altas temperaturas o la desactivación de explosivos; y entodos aquellos entornos de dif ícil acceso, como el fondo del océano (instala-ciones petrolíferas) o el espacio (reparación de satélites artificiales).

Actividades

Busca en Internet información sobre algún robot. Imprime y pega en tu cua-derno una foto del mismo. Indica los sensores y actuadores que utiliza, así comoel tipo de alimentación y el controlador que contiene.

31

7



7.2. Programación de robotsEl control por ordenador presenta un inconveniente: el sistema contro-

lado tiene que estar siempre conectado al ordenador. Así, un microondas ouna lavadora tendrían que tener su propio ordenador, y un robot no podríaalejarse más de unos centímetros de la tarjeta controladora.

Sistema automático mediante microcontrolador.

Los microcontroladores son pequeños ordenadores miniaturizados que estánincluidos en un circuito integrado.

Existen programas que permiten programar un microcontroladormediante diagramas de flujo.

Para realizar un sistema automático usando un microcontrolador, debe-remos seguir dos pasos:

En nuestro ejemplo, al accionar el pulsador conectado al pin3 (in3), seenciende la luz conectada a la salida 0 durante 4 segundos.

142 UNIDAD 5142

receptorinfrarrojos

transmisorinfrarrojos

altavoz

motor cc

LDR

interruptores

micrófono

microcontrolador

ENTRADA PROCESO SALIDA

1. Realizar el programa de control yalmacenarlo en el microcontrolador.

2. Montar el microcontrolador en el circuito quedeseemos controlar.

start

pin 3 � 1

high 0

No

Sí

low 0

wait 4

interruptor

fotorresistencia

ojo LED

ojo LED

microcontroladora

4,5 V

0 V

10 k� 10 k�

in1

in3

out0

out4

330 �

6

4

8

7

3

PIC

AX

SE 0

8

0 V

Microcontrolador.

Actividades

Los microcontroladores tambiéndisponen de conversores analógicodigitales para obtener informacióndel entorno.

a) Explica la función del programadel siguiente diagrama de flujo.

b) Prueba los programas anterio-res mediante un simulador de dia-gramas de flujo. Puedes obteneruno gratuito en la dirección web:www.picaxe.co.uk.

32

start

B0�70

high 0

high 4

readadc 1,b0

N

Y



Automatismos. Sistemas de control

� Un sistema automático es un conjunto de elementos eléctricos y mecánicoscapaz de funcionar sin necesidad de realizar ningún esfuerzo.

� Un sistema de control es un conjunto de elementos que, interconectados,permiten automatizar una máquina o un proceso. Está formado por sensores,un controlador y actuadores.

� En los sistemas de control en lazo abierto la salida no tiene efecto sobre laacción de control, mientras que en los sistemas de control en lazo cerrado seajustan los parámetros de control en función de la salida.

Sensores

� Los sensores se usan para captar parámetros físicos como la temperatura, laposición de ciertos objetos, la fuerza, la presión, la humedad, etcétera.

� Los sensores de temperatura pueden estar basados en la dilatación, en lavariación de la resistencia eléctrica o en la sensibilidad a la radiación infrarroja.

� Los sensores de posición pueden ser mecánicos, magnéticos u ópticos.

� Los sensores de fuerza y presión incluyen las galgas extensiométricas, lossensores de tipo Bourdon, etcétera.

Control electromecánico, electrónico y programado

� Los sistemas de control electromecánico hacen uso de levas, finales de carreray relés.

� Los sistemas de control electrónico suelen incluir transistores o comparadores.

� Para realizar un sistema de control programado necesitamos una tarjeta con-troladora y un programa.

Lenguajes de programación

� Los lenguajes de programación permiten elaborar series de instruccioneslógicas que sirven para automatizar un proceso. A ese conjunto de instruccio-nes se le denomina programa.

� Un algoritmo es un conjunto de pasos que permiten resolver un problema.Se representa mediante un diagrama de flujo.

Robots

� Un robot es una máquina automática capaz de captar información de suentorno y de reaccionar ante ella. Además, puede programarse para realizardiversas tareas.

� El elemento de control de un robot es un circuito integrado denominadomicrocontrolador. Un microcontrolador es un pequeño ordenador miniaturi-zado que está incluido en un circuito integrado.

I D E A S C L A R A S

Control y robótica

Elabora un mapa conceptual o esquema con los principales conceptos de la unidad.


144 UNIDAD 5144

El acceso a muchas viviendas y lugares de trabajo sería muy complicado sin losascensores. Se calcula que en poco más de una hora, una cantidad equivalente ala población del planeta usa este aparato.

Un ascensor está formado por una cabinasuspendida de un conjunto de cables me -tálicos conectados a una polea movidamediante un motor eléctrico. Un contrapesohace que la energía necesaria en las subidassea menor.

En la sala de máquinas se encuentra elsistema de control, encargado de recibir laspeticiones de los usuarios y de encaminar lacabina a su destino.

Un conjunto de sensores hacen que elsistema sea más cómodo y seguro:

� Sensores de posición de la cabina parapararla en el lugar adecuado y reducirla velocidad instantes antes de llegar.

� Sensores de peso en el interior de lacabina para bloquear el sistema en casode exceso de carga.

� Un sensor de velocidad. En el impro-bable caso de que los cables que suje-tan la cabina se rompiesen y esta sedesplomase, se detectaría el aumentode velocidad y se activaría automática-mente un sistema de frenado.

� Sensores que impidan el cierre de laspuertas de la cabina si se detecta lapresencia de una persona en el umbral.

El ascensor: un sistema automáticoA N Á L I S I S D E O B J E T O S T E C N O L Ó G I C O S

sistemade control

motor

contrapeso

Ascensor hidráulico.



Los simuladores permiten comprobar el funcionamiento de nuestros programasde control antes de llevar a cabo el montaje real.

Para hacer uso de un simulador, debe-mos abrir MSWLogo y elegir la opciónSimuladores � Usar un simulador. Elprograma nos mostrará una lista de simu-ladores. En nuestro ejemplo, elegiremosPUENTE_ENCONOR, tal como se observaa la derecha.

Tras pulsar OK, aparecerá una ventana con un dibujo del elemento que se va acontrolar (en este caso, un puente), junto a un esquema de la controladora, quemuestra sus entradas y salidas:

Si escribimos la orden CONECTA 1, veremos cómo el motorcomienza a funcionar y el puente sube. A su vez, las entradas digi-tales cambian para indicarnos la posición del puente: cuando estealcanza la posición final, E1 indica falso y E2 verdadero.

Podemos probar varias órdenes (conectar y desconectar salidas,comprobar entradas, retardos, etc.) y programas completos decontrol realizados con Logo.

Actividades

Abre el simulador del semáforo que se corresponde con la figura del margen.Escribe el siguiente procedimiento, ejecútalo y explica el resultado del mismo:

Realiza un programa de control para cada uno de los simuladores de con-troladora que aparecen en MSWLogo. Elabora un documento con capturas depantalla de los elementos controlados y con los programas de control creados.

2

1

A P L I C A C I Ó N I N F O R M Á T I C A

Simulador de controladora

salidasanalógicas

ALIMENTACIÓNsalidas analógicas

salidas digitales entradas digitales

entradasanalógicas

para semaREPITE 3[CONECTA 2 ESPERA 3 APAGA 2 ESPERA 3]

fin


146 UNIDAD 5146

En este apartado aprenderemos a realizar las conexiones adecuadas y los pro-gramas de control necesarios para construir distintos sistemas automáticos. Paraello, utilizaremos las entradas y salidas de una controladora que hemos tomadocomo ejemplo, denominada Enconor Plus, aunque la programación sería similar siutilizáramos cualquier otra.

Salidas digitales1. Encendido y apagado de una bombilla.

Conexión: Programación:

2. Control del sentido de giro de un motor.


Uso de una controladora para diseñary construir un sistema automático

P R O C E D I M I E N T O S

S 1 E 8 E 7 E 6 E 5 E 4 E 3 E 2 E 1S 2 S 3 S 4 S 5A S 5B S 6A S 6B S 7A S 7B S 8A

S A1 S A2 S A3 S A4 15 V

tier

ra

E A

5E

A4

E A

3

E A

2

E A

1

5 V

tier

ra

S 8B

alimentación

conexión al ordenador

+ — + — + — + — — +

salidas analógicas entradas analógicas alimentación

salidas digitales entradas digitales

salidas digitalesS 1 S 2 S 3 S 4 S 5A S 5B S 6A S 6B S 7A S 7B S 8A S 8B

salidas digitalesS 1 S 2 S 3 S 4 S 5A S 5B S 6A S 6B S 7A S 7B S 8A S 8B

motor

para EncenderConecta 1

fin

para ApagarApaga 1

fin

para Pararapaga 1

fin

para motorIzqconecta 1conecta 5

fin

para motorDerconecta 1apaga 5

fin

S1

Salidas tipo interruptor. Las salidas de 1 a 4son de tipo interruptor. Sirven para activary desactivar dispositivos.

salida salida

5A

5A

5B 5B

1

1

22

3

3

4

4

Salidas tipo conmutador doble. Las salidasde 5 a 8 son de tipo conmutador doble,lo que nos permite modificar el sentidode giro de un motor.



Entradas digitalesDetectan únicamente dos estados: activo o inactivo. Se utilizan para detectar

la activación de un interruptor, un pulsador o un final de carrera.


Entradas analógicas Permiten obtener el valor de un parámetro físico: temperatura, intensidad de

luz, etcétera.


La tensión de entrada, entre 0 y 5 V, es convertida a un código binario de 8 bitsde acuerdo con la siguiente tabla:

En general:

n.º decimal �

Salidas analógicas Se utilizan para controlar la velocidad de motores o el grado de iluminación de

una bombilla. Permiten obtener una tensión entre 1,6 V y 10,7 V.


voltaje de entrada en mV

19,5 mV


Entrada nE 8 E 7 E 6 E 5 E 4 E 3 E 2 E 1

entradas digitales Devuelve VERDADEROsi la entrada n (n es un nú-mero entre 1 y 8) está co-nectada; en caso contrario,devuelve FALSO.

LeeAnalogica n�5 V E A1 tierra

LDR

10 k�

Lee el valor de la entra-da analógica n (en ella, n esun número entre 1 y 5). Elvalor obtenido será un nú-mero comprendido entre 0y 255.

Voltaje n x

salidas analógicas

S A1 S A2 S A3 S A4+ — + — + — + —

Aquí n es un número en-tre 1 y 4 y x un númeroentre 1,6 y 10,7; fija en lasalida n una tensión x.

Voltaje de entrada N.º decimal N.º binario

0 V a 19,5 mV 0 00000000

19,5 mV a 39 mV 1 00000001

39 mV a 58,5 mV 2 00000010

… … …

4,961 V a 4,9805 V 254 11111110

4,9805 V a 5 V 255 11111111

Ejemplo

Conecta la salida 1 si la entrada 1está conectada.

SI Entrada 1 [Conecta 1]

Ejemplo

Si la tensión en la entrada analógi-ca 1 es inferior a 51 (equivalente a1 V), se activa la salida 1. Esto ocu-rre cuando la resistencia de la LDRes muy grande comparada con laresistencia de 10 k�.

SI ((LeeAnalogica 1) � 51) [Conecta 1]

Ejemplo

Hace que en la salida analógica 1haya 2,4 V.

Voltaje 1 2.4

ÓRDENES INTERESANTESSEGUNDOS n Espera n segundos.

ESPERAOn nEl programa se parahasta que se active laentrada n.

ESPERAOff nEl programa se parahasta que se desactivela entrada n.


148 UNIDAD 5148

Con el fin de aplicar lo que hemos aprendido hasta ahora, realizaremos unproyecto en el que intervengan varias entradas y salidas.

Componentes y conexionadoComo entradas, usaremos dos finales de carrera que nos indicarán la posición

de la puerta y un sensor de sonido para captar ruidos: emplearemos solo lasentradas digitales, pues bastará con saber si la puerta está abierta o cerrada y sise ha producido o no algún ruido.

Además, en una salida de tipo conmutado conectaremos un motor para abriry cerrar la puerta.

Apertura automática de una puertamediante sonido


M

sensor de sonido

micrófono

puerta cerrada

puerta abierta

S 1

S 2

S 3

S 4

S 5A

S 5B

E 3

E 2

E 1

�5 V

tierra



ProgramaEl programa funciona de la siguiente forma: cuando detecta un ruido, da la

orden de abrir la puerta y esta activa el motor hasta que el final de carrera de puertaabierta es accionado; en ese momento se para el motor durante cinco segundosy, acto seguido, se procede a cerrar la puerta.

Actividades

El siguiente procedimiento forma parte del proyecto de control de tempera-tura de una habitación. Para llevarlo a cabo, disponemos de un sensor detemperatura realizado mediante un termistor NTC, de un ventilador y de unacontroladora. Realiza el diagrama de conexiones de la controladora y explica cómofunciona el sistema.

Realiza un programa en Logo que permitaabrir automáticamente la barrera de entradaa un aparcamiento.

Nota: indica previamente qué salidas y entra-das de la controladora vas a utilizar.

2

1


para ruido si ((entrada 1) = "VERDADERO) [abrepuerta] si ((entrada 2) = "VERDADERO) [ segundos 5 cierrapuerta ] ruidofin

para abrepuerta si ((entrada 2) = "VERDADERO) [ apaga 1 apaga 5 alto] conecta 5 conecta 1 abrepuertafin

para cierrapuerta si ((entrada 3) = "VERDADERO) [ apaga 1 alto] apaga 5 conecta 1 cierrapuertafin

inicio

¿ruido?

abrir puerta

cerrar puerta

¿E2 on?

¿E3 on?

parar motoresperar 5 s

parar motor

NO

NO

NO

para controlSisino (leeanalogica 1) � 180 [apaga1] [conecta 1]control

fin

E3

E2

pulsador E1


150 UNIDAD 5150

La controladora Arduino posee varios pines o patillas que pueden configu-rarse como entradas o salidas, entradas analógicas y una conexión USB al PC. Laalimentación puede ser externa o a través del propio puerto del ordenador.

Para desarrollar un proyecto de control por ordenador mediante esta placa,debemos seguir tres pasos: 1. Diseño del circuito; 2. Elaboración del programade control, y 3. Carga del programa desde el PC a la controladora.

Diseño del circuitoEn esta etapa decidiremos, en función de las características de nuestro proyec-

to, los componentes que vamos a conectar a la controladora. En general, seránelementos de entrada (sensores) y de salida (actuadores).

Comenzaremos diseñando un circuito muy simple formado por una salidadigital: un LED que funcione de forma intermitente. Tras realizar un esquema inicial,utilizaremos el programa Fritzing (gratuito y de código abierto) para completar eldiseño. Su manejo es sencillo: se colocan los distintos componentes sobre el áreade trabajo y se unen mediante cables a través de la placa de prototipos.

Elaboración del programaPara elaborar el programa utilizaremos el entorno de desarrollo gratuito de

Arduino. A continuación se muestra un ejemplo; las instrucciones terminan conun punto y coma, y los comentarios, que solo sirven para explicar el programa,comienzan con //. El programa se divide en tres bloques:

Por último, cargamos el programa del ordenador a la controladora mediantela barra de herramientas:

Controladora ArduinoP R O C E D I M I E N T O S

Controladora Arduino. El diseño de estascontroladoras se puede copiar, modificar ycompartir con todo el mundo. Es decir, setrata de hardware libre.

tierratierra

R

LED

Arduino

pin 13

Definiciones. En este bloque asignamos nombres a las patillaspara recordar fácilmente su función. En nuestro caso, a la patilla13 le llamamos PindelLED.

área de trabajo

componentes

propiedades delcomponenteseleccionado

Configuración de entradas y salidas. Definimos qué patillas sonde entrada y cuáles de salida mediante la instrucción pinMode.

Bucle de instrucciones. Las instrucciones que coloquemos entrecorchetes tras void loop () se ejecutarán continuamente.

Coloca a nivel alto (es decir, a 5 V) la patilla PindelLED.

Espera 1000 milisegundos.

Coloca a nivel bajo (es decir, a 0 V) la patilla PindelLED.



Entrada digitalMediante las entradas digitales, la controladora detectará únicamente si están

a 1 o a 0, dependiendo de que la entrada esté a 5 V o a 0 V. Para leer el valor de lasentradas, utilizaremos la siguiente instrucción:

variable � digitalRead(NombredelPindeEntrada);

Veamos un ejemplo: diseñaremos un circuito que encienda un LED cuandoaccionemos un pulsador:

Al pin 3, que configuraremos como entrada, le conectaremos un pulsador yuna resistencia. Al accionar el pulsador, habrá 5 V en este pin; si no lo accionamos,habrá 0 V. En el margen se muestra la programación correspondiente.

Entrada analógicaEl funcionamiento es idéntico a la entrada digital, pero ahora podemos leer

un valor comprendido entre 0 y 1023, pues la placa Arduino utiliza un conversoranalógico a digital de 10 bits. La instrucción para leer la entrada analógica es:

variable � analogRead(NombreEntradaAnalógica);

Como ejemplo, veremos un circuito formado por un sensor de luz que enciendeun LED si la iluminación es muy baja:

Tras configurar los pines de entrada y salida, el programa de control sería comose muestra en el margen.


ImportanteExiste un atractivo entorno de programacióngráfica para Arduino llamado S4A (Scratchfor Arduino). A la derecha se muestra unejemplo.

¿Sabrías indicar cuál de los programas reali-zados es idéntico al que aparece aquí?

const int PinPulsador = 3; //Definimoslos pinesconst int PindelLED = 13;

int pulsadorActivo; //Variable quealmacena el estado del pulsador

void setup() {//Configuramos entradas y salidaspinMode(PindelLED, OUTPUT);pinMode(PinPulsador, INPUT);

}

void loop(){//Leemos el estado del pulsadorpulsadorActivo =

digitalRead(PinPulsador);

//Si se ha pulsado, encendemos el LEDif (PinPulsador = HIGH) {

digitalWrite(PindelLED, HIGH);}else {

//Si no se ha pulsado, lo apagamosdigitalWrite(PindelLED, LOW);

}}

void loop(){//Leemos el valor del sensor de luz

valorSensorLuz =analogRead(PinPulsador);

//Si no hay luz, encendemos el LEDif (valorSensorLuz > 800) {

digitalWrite(PindelLED, HIGH);} else {

//Si hay luz, lo apagamosdigitalWrite(PindelLED, LOW);

}}


152 UNIDAD 5152

Trata de escribir tu nombre en un papel con los ojoscerrados. ¿Qué ocurre si alguien mueve la hoja mientraslo estás haciendo? ¿Reacciona bien el sistema ante lasperturbaciones?

¿Qué ventaja tienen los sistemas de control de lazocerrado frente a los de lazo abierto?

Explica la función de los siguientes elementos: ter-mistor, fotodiodo, galga extensiométrica y micrófono.

Indica qué sensores utilizarías para detectar:

a) Sobrepeso en un ascensor.

b) Apertura completa de la puerta de un garaje.

c) Iluminación escasa.

d) Excesiva proximidad al oído del teléfono móvil.

e) Ruido excesivo en clase.

Explica lo que representa la siguiente figura. ¿Quéaplicaciones puede tener? ¿Cómo puede utilizarse paramedir la velocidad de una bicicleta?

El siguiente dispositivo, conocido como encóder, seutiliza para medir la velocidad de giro de los motores.¿Se te ocurre cómo hacerlo?

Para medir ángulos de giro, se utiliza un encóderabsoluto. El encóder representado en la siguiente figurahace uso de cuatro pares LED-fotodiodo. Explica cómofunciona.

Los siguientes circuitos representan dos sistemasde control. Explica qué se pretende controlar con ellos yen qué se diferencian ambos.

Explica la relación que existe entre los elementos delos siguientes diagramas.

Utilizando la ayuda de MSWLogo, realiza una tablacon todas las instrucciones gráficas que puedas utilizar.

Realiza un programa que pida dos números y saquepor pantalla la suma de los mismos.

Realiza un programa que utilice la instrucciónHAZ.HASTA.

D1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Actividades

230 V

�12 V

�

230 V

�

�

RV

10 k�

10 k�2,2 k� BC548

�tº

NTC

radiador

radiador

230 V

�12 V

�

�12 V

�

�

RV

10 k�

10 k�

2,2 k�

BC548radiador

�tº

radiadorcontrolador

entrada

comparador

temperaturadeseada

sensor

actuador�

�

salida

temperatura

tubo de vidrio

desactivado

gas inerte

contacto

activado

N S

NSS N

LED

fotodiodo

00000001

0011

0010

0110

01000101

0111

10001001

1011

1010

1110

11001101

1111



ActividadesRealiza el siguiente programa en Logo y observa los

resultados. Explica cómo funciona.

Realiza un programa que pida tres números y lossaque por pantalla ordenados de mayor a menor.

Crea un procedimiento llamado semáforo quedibuje un semáforo. A continuación, crea un procedi-miento adicional que lo haga funcionar. La secuenciadebe ser la siguiente: luz roja, luz verde, tres parpadeosde luz naranja y empezar de nuevo. (Dato: la ordenESPERA 60 detiene 1 s el proceso.)

El siguiente programa genera un número al azarentre 1 y 6. Hasta que no adivinemos de cuál se trata, nopodremos salir del bucle «REPITE siempre».

a) Escribe y prueba el programa.

b) Ordena las piezas del diagrama de flujo que te mos-tramos a continuación.

Realiza un programa que permita controlar desdeuna ventana el encendido de dos bombillas y la ilumina-ción de las mismas.

Diseña un programa para que un robot siga una tra-yectoria similar a la que aparece a continuación.

El robot de la figura es capaz de detectar obstáculoscon sus antenas y de esquivarlos. Explica cómo funcionay añade el circuito de control del motor izquierdo.

Se desea diseñar un robot «siguelíneas», para locual se está experimentando con el circuito representadoa continuación. Indica si las siguientes afirmaciones soncorrectas o falsas:

a) El sensor y el motor se encuentran en el lado izquierdo.

b) Sería necesario un circuito similar para el lado derechodel robot.

c) El robot será capaz de seguir una línea blanca sobrefondo negro.

d) Sería conveniente añadir un diodo de protección enparalelo con el motor.

e) En el interior del CNY70 puede observarse un foto-diodo y un fototransistor.

f) Si se utilizan dos transistores, la corriente que atra-viesa el motor será mayor.

¿Qué diferencia existe entre las entradas analógicasy digitales de una controladora?

Una tarjeta controladora utiliza un conversor ana-lógico a digital (ADC) de 10 bits. Si el rango de la señalde entrada es de 0 V a 5 V, indica el valor digital corres-pondiente a 0 V, 2 V, 4 V y 5 V.

D

13

14

15 D

16

17

18

19

20 D

21

22 D

para juegodadosHAZ “d 1 � azar 5ES dSI :d � 3 [ES [¡HAS GANADO!]]SI :d � 4 [ES [:(, inténtalo de nuevo.]]

fin

para azarosoHAZ "x (1� azar 5)REPITE siempre [ES [Inténtalo]HAZ "n leepalabraSI :n�:x [alto]]

fin SÍ

NO

motor control

motor control

�

�

�

�

M

1,5 V

1,5 V

motor derecho

final de carreraizquierdo

M100 k

3 V

33 k

2N3904

2N3904

CNY70 Q2


control y robótica - oupe.es · 2. estas máquinas son muy complejas, ... las escaleras...

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