Unidad 5: Control y robótica

Tecnología

4º ESOgabriela-teacher.blogspot.com

Índice1.- Mecanismos, automatismos y robots2.- Microcontroladores3.- Sistemas de control4.- Elementos de los sistemas de control5.- Los sensores6.- Los actuadores7.- Qué es la programación8.- El sistema Arduino

Actividades1.- Ejercicios cortos de clase2.- Trabajo de taller con Arduino

1.- Mecanismos, Automatismos y RobotsMECANISMO Dispositivo que aprovecha mejor las fuerzas,

transformando su sentido, dirección o magnitud.Ejemplos Turbinas, sistemas de poleas y polipastos,

interruptores, cisterna del váter…

AUTOMATISMO Mecanismo o máquina que realiza una tarea concreta de forma repetitiva y autónoma. Su funcionamiento no se ve afectado por agentes exteriores.

Ejemplos Limpiaparabrisas, apertura de una puerta de garaje, lavavajillas.

ROBOT Máquina automática programable capaz de captar información de su entorno, procesarla y actuar en consecuencia.

Ejemplos Robots en cadenas de montaje, de traslado de mercancías, de detección de explosivos, de extinción de incendios, máquina de autolavado, robots de recolección agrícola, sondas espaciales, robots de ingeniería de precisión (montaje de circuitos integrados)…

2.- MicrocontroladoresUn MICROCONTROLADOR es un circuito integrado programable que reúne en un solo chip todas las funcionalidades básicas de un ordenador: Unidad de proceso (CPU) Memoria Periféricos de entrada y salida

Se trata de un ordenador con funciones limitadas. Comparativa:

Muchas de las máquinas que nos rodean son controladas por microcontroladores:-Lavadora-Frigorífico-Despertador-Mando a distancia TV-Sistema ABS coche-etc

3.- Sistemas de controlUn SISTEMA DE CONTROL regula el funcionamiento de un automatismo en función de los valores que detecta en su entorno.

TIPOS DE SISTEMAS DE CONTROLSistemas DE LAZO ABIERTO La señal de salida no se tiene en cuenta para la acción de control.

Ejemplos Tostadora, ventilador.

Sistemas DE LAZO CERRADO La señal de salida se compara con la de entrada para ajustar la acción de control al valor deseado.

Ejemplo Sistema de calefacción con termostato.

4.- Elementos de los sistemas de controlSENSOR Mide cambios de valor en cierta magnitud del entorno (luz,

temperatura, humedad, movimiento, caudal…) para utilizar dichos datos en un sistema de desarrollo digital.Mediante un conversor analógico-digital (ADC) el cambio físico real se convierte a una variación de corriente/voltaje que el comparador puede interpretar.

COMPARADOR Es un circuito electrónico que compara el valor que proporciona el sensor con un valor prefijado, llamado punto de tarado. Cuando hay diferencia entre estos valores, genera una señal.

CONTROLADOR En función de la señal que le llega del comparador, decide si hay que activar o no el sistema, y en caso afirmativo, envía una señal al actuador.

ACTUADOR Al recibir una señal digital del controlador, conmuta un circuito para ponerlo en marcha o apagarlo, generando una señal de salida de tipo físico (luz, movimiento, sonido…).

5.- Los sensoresLos sensores más básicos y empleados en la construcción de robots sencillos son:

SENSOR VARIABLE DEL SENSOR

MAGNITUD QUE

DETECTA

FOTO SÍMBOLO FUNCIONAMIENTO

Interruptor final de carrera

Posición de una lengüeta

Presión de contacto

Los mecanismos móviles que queremos controlar presionan la lengüeta en sus posiciones límite

Interruptor reed

Movimiento de un contacto

Campo magnético

Las dos láminas que contiene en su interior se polarizan en presencia de un campo magnético, se atraen y cierran el circuito

LDR Resistencia Intensidad luminosa

Se fabrica con un material cuya resistencia disminuye al aumentar la cantidad de luz que incide sobre él

5.- Los sensores (II)SENSOR VARIABLE

DEL SENSOR

MAGNITUD QUE

DETECTA

FOTO SÍMBOLO FUNCIONAMIENTO

NTC Negative Temperature Coefficient

Resistencia Temperatura Se fabrica con un material cuya resistencia disminuye al aumentar la temperatura

PTCPositive Temperature Coefficient

Resistencia Temperatura Se fabrica con un material cuya resistencia aumenta al aumentar la temperatura

Humedad Resistencia Humedad Dos patillas metálicas muy próximas entre sí, dejan pasar algo de corriente si hay agua entre ellos. Un transistor amplifica esa corriente

SENSOR VARIABLE DEL

SENSOR

MAGNITUD QUE

DETECTA

FOTO FUNCIONAMIENTO

Infrarrojos Radiación infrarroja

Luz infrarroja CNY70

Emite luz, un objeto la refleja según su color y distancia, y el sensor recibe el reflejo

TSC2000

El sensor no recibe radiación del emisor si hay un objeto opaco entre ellos

Constan de un diodo emisor de luz infrarroja (no visible ojo humano) y un fototransistor (sensible a la radiación infrarroja)Cuando ambos componentes están integrados en uno solo, se llaman optoacopladores

5.- Los sensores (III)

6.- Los actuadoresLos actuadores más básicos y empleados en la construcción de robots sencillos son:

TIPO DE SEÑAL FÍSICA

ACTUADOR FOTO SÍMBOLO FUNCIONAMIENTO

Movimiento Servomotor Motor de corriente continua capaz de generar un alto par de giro

Motores paso a paso Motor de corriente continua formado por varios imanes que se alimentan de forma secuencial para permitir una gran precisión en el control del giro (1,8º)

Solenoides Actuador electromagnético que genera movimientos lineales cortos al circular corriente por un bobinado.

Pistones de impulsión hidráulica/neumática

Cilindros que utilizan el movimiento de un fluido para generar fuerza y mover brazos robóticos y partes de máquinas. La impulsión hidráulica permite mover cargas más pesadas.

6.- Los actuadores (II)TIPO DE

SEÑAL FÍSICAACTUADOR FOTO SÍMBOLO FUNCIONAMIENTO

Sonido Piezoeléctrico Ante la presencia de corriente, vibra una chapa metálica produciendo un “clap” instantáneo.

Zumbador Solo emite un zumbido ante la presencia de corriente.

Altavoz Puede emitir notas en distintas frecuencias para reproducir una melodía.

Luz Diodo LED Diodo polarizado que emite luz ante el paso de corriente. Deben protegerse mediante una resistencia.

Información Pantallas LCD Muestran información alfanumérica dentro de líneas y columnas establecidas con un límite de caracteres.

7.- Qué es la programación Un algoritmo es una secuencia de acciones que, en un orden específico, constituyen la solución a un problema. Ejemplo: un algoritmo es el procedimiento de acciones que realizo para llegar al Colegio: 1º suena el despertador, 2º lo apago, 3º me levanto, 4º cojo mi ropa, 5º me ducho…

Programar es indicar al ordenador lo que queremos que haga por nosotros. Es decir, darle un conjunto de instrucciones para que, a partir de unos datos de entrada, realice operaciones lógicas y de almacenamiento y genere unas ciertas señales de salida. Los programas se basan en algoritmos.

Un lenguaje de programación es un sistema de símbolos y reglas que permite construir programas con los que el ordenador puede operar. Para poder programar las acciones de un ordenador, necesito conocer el lenguaje de programación que me permite comunicarme con él.

Los lenguajes de programación se clasifican en tres niveles:

• Lenguaje Máquina: Son conjuntos de instrucciones que la CPU puede comprender y ejecutar directamente. Está relacionado con el diseño del hardware, por lo que es propio de cada ordenador. Las instrucciones se expresan en términos de la unidad de memoria más pequeña, el bit (dígito binario 0 ó 1).

• Lenguaje de Bajo Nivel: En este lenguaje las instrucciones se escriben en códigos alfabéticos conocidos como mnemotécnicos para las operaciones y direcciones simbólicas (load, add, store…). Se utilizan para representar las operaciones elementales del hardware, pero el ordenador necesita traducirlas a lenguaje máquina mediante un programa llamado ensamblador.

• Lenguaje de Alto Nivel (BASIC, C++, pascal, cobol, fortran…) son aquellos en los que las instrucciones son escritas con palabras similares a los lenguajes humanos (en general en inglés), lo que facilita la escritura y comprensión del programa. El ordenador necesita traducirlas a lenguaje máquina mediante un programa llamado ensamblador.

7.- Qué es la programación (II)

8. El sistema Arduino8.1. Qué es Arduino8.2. Ventajas de Arduino8.3. La placa controladora8.4. La placa de pruebas8.5. El IDE de Arduino8.6. Cómo conectar la tarjeta al ordenador8.7. Cómo cargar un programa en la placa8.8. El lenguaje de Arduino

8.1.- Qué es ArduinoArduino es una plataforma de electrónica para la creación de prototipos que consta de:

Una tarjeta con un microcontrolador: una placa de procesamiento de datos a la que podemos conectar sensores y actuadores mediante entradas y salidas analógicas y digitales.

Un entorno de desarrollo (IDE, Integrated Development Environment), que nos permite programar la placa con un lenguaje de programación basado en Processing (similar a C++).

Otras placas controladoras de uso muy extendido son la Crumble, la Picaxe, la ZUM, la Raspberry Pi… pero estudiaremos y emplearemos Arduino por las ventajas que veremos a continuación.

8.2.- Ventajas de ArduinoLa compañía de origen italiano surgió en 2006 con el objetivo de ofrecer una plataforma de prototipado con las siguientes ventajas:

Bajo costo (aproximadamente 30 euros, modelo UNO). Es hardware libre. Se puede descargar su diseño gratuitamente

(Licencia Creative Commons) de Internet y el usuario puede autoconstruir sus elementos y cargar el software necesario para que funcionen los microcontroladores.

Facilidad de uso para novatos y profesionales. Dispositivo Plug-and-Play. Multiplataforma: Compatible con todos los SO: MacOSX, Windows y

GNU/Linux. Entorno de programación simple para novatos pero flexible para ser

aprovechado por usuarios avanzados. Código abierto: el lenguaje puede ser expandido por librerías C++ y

permite acceder al lenguaje de bajo nivel que enmascara y trabajar en él.

8.3.- La placa controladoraVamos a estudiar la tarjeta más empleada de Arduino, la Arduino UNO:

Puerto USBBotón reset Pines digitales (2-13) input o output, dos

valores (0 o 5V)GND

Microprocesador ATmega

Pines analógicos(A0-A5) de 0 a 5 V

Conectores de potencia (3,3V, 5V, GND)

Puerto alimentación (6-14V), recomendable 9V AA recargables de 4.600 mA

Máxima corriente en todos los pines: 40 mA

Pines para conectar Shields (extensiones)

8.4.- La placa de pruebasPara crear prototipos con tarjetas controladoras, se emplean placas de pruebas (protoboard / breadboard).

Qué son: Tablero perforado de plástico cuyos orificios están conectados por láminas conductoras delgadas, creando una serie de líneas de conducción paralelas.

Para qué se utilizan: Se utilizan para insertar componentes electrónicos y cables y montar circuitos para experimentar con circuitos electrónicos.

8.4.- La placa de pruebas (II)Se divide en tres zonas:

A Canal central. Se usa para conectar circuitos integrados con las patillas a uno y otro lado del canal (no hay conexión).

B Buses rojos (positivos o de voltaje) y azules (negativos o de tierra), sin existir conexión entre las filas. Se conectan a la fuente de alimentación.

C Pistas: Para conectar los componentes, están conectados en columnas. Los componentes se colocan en horizontal, ya que en vertical se provocaría un corto.

Normalmente cableamos para unir y tener +V y GND en los dos lados

8.5.- El IDE de ArduinoPágina oficial para descargas: www.arduino.cc. El IDE de Arduino es un sistema de desarrollo de programas específico para Arduino.Se basa en Processing (alto nivel, basado en C++) y corre sobre cualquier SO.Nos permite: Compilar programas (en Arduino, se conocen como Sketch). Instalar programas en la placa Gestionar proyectos Normalmente se guardan en la carpeta

Sketchbook, dentro de Mis documentos. Nosotros necesitaremos pendrives.

No nos permite: Extraer código fuente de una placa al ordenador Quitar los bugs línea por línea para encontrar fallos lógicos o sintácticos

(sólo nos informa de la línea que contiene el error, en ella o por encima de ella)

Simular circuitos

8.5.- El IDE de Arduino (II)Nombre del sketchVerificar

Cargar a la placa

Puerto al que está conectada la placa* Se cambia aquí

*

Pantalla de texto para escribir código

Ventana de información (muestra errores)

Barra de estado (cargando, compilando…)

Nuevo / abrir / salvar sketch

Abrir monitor de puerto serie

8.5.- El IDE de ArduinoPágina oficial para descargas: www.arduino.cc. El IDE de Arduino es un sistema de desarrollo de programas específico para Arduino.Se basa en Processing (alto nivel, basado en C++) y corre sobre cualquier SO.Nos permite: Compilar programas (en Arduino, se conocen como Sketch). Instalar programas en la placa Gestionar proyectos Normalmente se guardan en la carpeta

Sketchbook, dentro de Mis documentos. Nosotros necesitaremos pendrives.

No nos permite: Extraer código fuente de una placa al ordenador Quitar los bugs línea por línea para encontrar fallos lógicos o sintácticos

(sólo nos informa de la línea que contiene el error, en ella o por encima de ella)

Simular circuitos

8.6.- Cómo conectar la placa al ordenadorPRIMERA CONEXIÓN

1. Antes de conectar la placa, descarga el software e instálalo.2. conecta la placa Arduino mediante el cable USB. El pin verde de la placa debe encenderse. 3. 3. Selecciona la opción de instalar automáticamente el software. Si la instalación se realiza de forma correcta, ve al paso 4.Si la instalación no comienza automáticamente o Windows no es capaz de encontrar los drivers, tendremos que indicarle dónde están. Para ello:

- En Windows XP, ve a Inicio/Panel de control/Cambiar a vista clásica/ Sistema/ Hardware/ Administración de dispositivos/Puertos(COM y LPT) /Arduino Uno (COMX). La X indica el número de puerto al que se habrá asociado tu tarjeta (en nuestro ejemplo, el 4).- En Windows 7 y Vista, ve a Panel de control/Sistema y seguridad /Sistema/ Administrador de dispositivos/Puertos (COM y LPT)/Arduino Uno (COMX). La X indica el número de puerto al que se habrá asociado tu tarjeta (en nuestro ejemplo, el 4).- En Windows 10, ve a Configuración/Dispositivos/Dispositivos conectados /Administrador de dispositivos/Puertos (COM y LPT)/Arduino Uno (COMX). La X indica el número de puerto al que se habrá asociado tu tarjeta (en nuestro ejemplo, el 4).

4. Haz clic con el botón derecho sobre el puerto COM, selecciona la opción Actualizar controlador y elige la carpeta Drivers, donde se ha instalado el programa Arduino.

8.6.- Cómo conectar la placa al ord. (II)COMPROBAR LA COMUNICACIÓN1. Abre la aplicación de Arduino. Puedes cambiar el idioma del IDE en Archivo/Preferencias.2. Ve a Herramientas/Puerto y selecciona el puerto que has visto en el punto 3 del apartado anterior (en nuestro ejemplo el COM4).

3. Ve a Archivo/Ejemplos/01.Basics/Blink. Comprobarás que se abre una nueva ventana. Haz clic en Verificar, y cuando termine, haz clic en Subir. Comprobarás que un led amarillo parpadea en la placa.

SIGUIENTES CONEXIONESTras haber instalado el software y la placa por primera vez, recordaremos el puerto USB y usaremos el mismo, ya que el ordenador reconocerá la placa y le asignará el mismo puerto COM. Para comprobarlo, haremos siempre lo siguiente:1. Ir a Herramientas/Puerto y elegir el puerto COM en el que aparece conectada la placa.2. Si no recordamos el puerto, cargar el programa Blink y ver en qué puerto parpadea el LED.

8.7.- Cómo cargar un programa en la placaBootloader es un programa base que corre sobre el procesador principal y

se archiva en su memoria flash.Su función es reescribir programas cuando reseteo / conecto mediante USB.Sólo funciona mientras hay alimentación.

Verificar es transformar el código fuente en código máquina (compilar). En ese proceso se informa de posibles errores.

Cargar sube el código a la placa (siempre que esté conectada al puerto COM correcto y éste esté configurado). Si olvidamos verificar, siempre verifica y compila antes de cargar.Durante la carga, los LED TX y RX parpadean. Cuando cesan, el programa está cargado.

8.8.- El lenguaje de ArduinoUsamos el sketch de Blink para aprender unas nociones básicas de Processing…

Indica un programa que solo se ejecuta una vez, al conectar la placa (configuración básica)

Cuando voy escribiendo el código correctamente, los colores de funciones y estados van cambiando

Entre llaves {} declaro los pines que voy a usar y si van a ser salidas (OUTPUT) o entradas (INPUT)pinMode(nº,TIPO);

;Se usa para separar pasos de una secuencia o declarar distintas variables

8.8.- El lenguaje de Arduino (II)Indica un programa que se repetirá mientras la placa reciba corriente

Declaro que se encienda el LED del pin 13, escribiendo el valor digital HIGH (voltaje máximo, 5V) en él:digitalWrite(nº,HIGH);

El microprocesador se detiene 1000 milisegundos antes de pasar a la siguiente línea:delay(xxxx);

Declaro que se apague el LED del pin 13, escribiendo el valor digital LOW (voltaje mínimo, 0V) en él:digitalWrite(nº,LOW);

Es fundamental cerrar las llaves tras declarar un procedimiento