Tema 2
TEMA 2: FUNDAMENTOS DE LA PROGRAMACIÓN FÍSICA. ARDUINO
1. SISTEMAS DE COMPUTACIÓN
Un sistema de computación es una máquina electrónica que procesa, ordena y organiza la información de forma rápida y eficaz. El sistema de computación que todos conocemos es el ordenador pero existen muchos otros implementados en otros dispositivos que usamos: móvil, tableta, robot...
Los sistemas de computación en realidad sólo hacen 4 cosas:
Recibir entradas: Aceptan información del mundo exterior, mediante dispositivos de entrada (sensores, periféricos de entrada).
Producir salidas: Reflejan información al mundo exterior, dando respuestas mediante dispositivos de salida (actuadores, periféricos de salida).
Procesan información: Ejecutan operaciones aritméticas y/o lógicas, mediante un procesador, que también toma decisiones basadas en los valores de información, según un conjunto de órdenes (programa).
Almacenan información: Los datos y órdenes reposan en algún dispositivo de memoria interno (memoria RAM, ROM, etc.), y también puede almacenar en memorias externas, como un pendrive.
Los componentes básicos de un sistema de computación, que realizan las cuatro funciones anteriores son los que vemos a continuación. Las flechas que vemos señalan el camino que sigue la información por el sistema:
1.1. microcontroladores:
¿Qué es un microcontrolador? De forma sencilla, un microcontrolador es un circuito integrado digital que puede ser usado para muy diversos propósitos debido a que es programable. Esto quiere decir, que es capaz de seguir todas las órdenes que se graben en su memoria. Está compuesto por una unidad central de proceso (CPU), memorias (ROM, o no volátil y RAM, volátil) y líneas de entrada y salida (periféricos). Es decir, un microcontrolador es una especie de mini PC.
¿Qué podemos hacer con un microcontrolador? Un microcontrolador puede usarse para muchas aplicaciones algunas de ellas son: manejo de sensores, controladores, juegos, calculadoras, agendas, avisos lumínicos, secuenciador de luces, cerrojos electrónicos, control de motores, relojes, alarmas, robots, entre otros. Están presentes en casi cualquier dispositivo electrónico como lavadoras, móviles, microondas, automóviles, etc. Normalmente, incluyen un lenguaje de programación integrado, por lo que los usuarios lo pueden programar creando una secuencia de órdenes o programa para conseguir que realicen unas acciones.
¿Cómo funciona un microcontrolador? Como el hardware ya viene integrado en un solo chip, para usar un microcontrolador se debe especificar su funcionamiento por software a través de programas que indiquen las instrucciones que el microcontrolador debe realizar. En una memoria se guardan los programas y un elemento llamado CPU se encarga de procesar paso por paso las instrucciones del programa.
Tipos de microcontroladores: Existen varios tipos de microcontroladores que se pueden conseguir en el mercado. Cada uno de ellos se utilizan en diferentes tipos de proyectos. Los más populares son: Intel, Microchip y Arduino.
Intel es uno de los pioneros de este tipo de dispositivos, ya que fue uno de los primeros en lanzar al mercado microcontroladores que podían ser programados para llevar a cabo diferentes tareas, allá por el año 1971.
Los microcontroladores PIC de la empresa Microchip Technology Inc. se han vuelto populares porque son de alta calidad, excelente rendimiento y bajos costes. Estos son utilizados en aplicaciones comunes como en los periféricos de un ordenador, sistemas de seguridad, etc.
Finalmente, se encuentra Arduino, basada en Atmel. Esta es una plataforma de hardware y software libre que se basa en una placa que contiene un microcontrolador y un entorno de desarrollo. Gracias a esto, los usuarios pueden crear todo tipo de proyectos multidisciplinares. Arduino es uno de los más utilizados por aquellas personas que se quieren iniciar en la electrónica, debido a que son fáciles de trabajar, tienen amplia variedad de usos y se incorporan fácilmente en muchos tipos de proyectos.
1.2. SOFTWARE Y HARDWARE.
Un sistema de computación funciona gracias a dos elementos básicos, el hardware y el software. Estos se complementan y se encargan de todas las tareas que se desempeñan en el dispositivo. Pero, ¿qué significa hardware? ¿Y software?
¿Qué es hardware? El hardware engloba todos los componentes materiales y físicos de un dispositivo, es decir, aquellos que se pueden ver y tocar. En el caso de un ordenador, serían el monitor, el ratón, la CPU, el teclado o la memoria RAM, etc. Este término viene del inglés, donde “hard” significa “duro” y “ware”, “cosas”, por lo que se podría definir incluso como “las partes duras de una computadora”. Se distinguen dos tipos:
Interno: se encuentra dentro del sistema de computación, como los cables, los circuitos, la unidad central de procesamiento o los dispositivos de almacenamiento.
Periféricos: están situados en el exterior del sistema de computación. Entre ellos tenemos los periféricos de entrada, que dan información al sistema (como el ratón o el teclado en el ordenador); los periféricos de salida, que muestran las operaciones realizadas (como el monitor o la impresora en el ordenador); y los periféricos de entrada-salida, que realizan las dos funciones anteriores, como las memorias USB.
¿Qué es el software? El software es la parte digital del sistema de computación, es decir, el conjunto de instrucciones, programas y reglas informáticas que el equipo requiere para funcionar. Es intangible e inmaterial, viene del inglés "soft" que significa "suave" y "ware", "cosas". El software se clasifica en:
Software de sistema: conjunto de programas que permiten al usuario comunicarse con el sistema en sí. Son los sistemas operativos, los controladores de dispositivos y los programas utilitarios para el mantenimiento de la computadora.
Software de aplicación: programas diseñados para que el usuario desarrolle una tarea específica, como escribir. Los procesadores de texto, las hojas de cálculo, el antivirus o el reproductor de películas son algunos ejemplos.
Software de programación: herramientas empleadas por el informático para escribir nuevos programas gracias a un lenguaje específico. Este tipo de software es el que usaremos para programar una placa de robótica.
1.3. SEGURIDAD ELÉCTRICA.
Son un conjunto de medidas destinadas a proteger la salud de todos, prevenir accidentes y promover el cuidado del material de robótica. Son un conjunto de prácticas de sentido común: el elemento clave es la actitud responsable y la concienciación de todos.
Tu área de trabajo debe tener buena ventilación e iluminación, estar limpia y seca, y descongestionada.
Al tratar con electricidad se debe de ser muy cuidadoso para evitar algún tipo de evento no deseado. Recuerda siempre aplicar las normas de seguridad.
Evita los "cortocircuitos" entre la fuente de alimentación y el circuito que estés montando. Para ello siempre debe haber una carga conectada a la pila, nunca conectar los dos polos de la pila directamente con un cable u otro elemento conductor.
Los circuitos eléctricos pueden producir descargas eléctricas, por lo tanto, no hay que trabajar con circuitos en funcionamiento, aunque el voltaje sea pequeño.
Herramientas u objetos metálicos pueden entrar en contacto con los conductores que transportan electricidad, produciendo daños a la persona o en el circuito, como quemaduras o roturas de material.
Los dispositivos que tengan polaridad deben conectarse correctamente para que funcionen, por ejemplo los LED, además con el voltaje adecuado para que no se queme. Más adelante veremos como se conecta un LED.
2. ARDUINO
¿Qué es Arduino?
Arduino es una plataforma que diseña y fabrica placas con un microcontrolador y pines de entrada y salida, para construir dispositivos digitales e interactivos que puedan detectar y controlar objetos del mundo real, está basada en hardware y software libre.
El hardware libre son los dispositivos cuyas características y diagramas son de acceso público, así que cualquiera puede replicarlos. Esto quiere decir que Arduino ofrece las bases para que cualquier otra persona o empresa pueda crear sus propias placas.
El software libre son los programas informáticos cuyo código es accesible por cualquiera para que quien quiera pueda usarlo y modificarlo. Arduino ofrece la plataforma Arduino IDE (Entorno de Desarrollo Integrado), que es un entorno de programación con el que cualquiera puede crear aplicaciones para las placas Arduino, de manera que se les puede dar todo tipo de utilidades.
Partes de una placa Arduino:
El microcontrolador de Arduino posee lo que se llama una interfaz de entrada, que es una conexión en la que podemos conectar en la placa diferentes tipos de periféricos. La información de estos periféricos que conectes se trasladará al microcontrolador, el cual se encargará de procesar los datos que le lleguen a través de ellos. El tipo de periféricos que puedas utilizar para enviar datos al microcontrolador depende de qué uso le queramos dar. Pueden ser cámaras para obtener imágenes, teclados para introducir datos, o diferentes tipos de sensores.
También cuenta con una interfaz de salida, que es la que se encarga de llevar la información que se ha procesado en el Arduino a otros periféricos. Estos periféricos pueden ser pantallas o altavoces en los que reproducir los datos procesados, pero también pueden ser otras placas o controladores.
Hay muchas placas Arduino distintas, una de las placas más conocidas es Arduino UNO, sus partes principales son las de la imagen:
BOTÓN RESET: Pulsador que permite reiniciar la placa, para volver a ejecutar desde el principio el programa que tiene cargado.●
CONECTOR USB: Para conectar la placa al PC y cargar un programa o alimentar la placa con 5V.●
CONECTOR JACK 6V-12V: Mediante la clavija tipo jack, permite alimentar la placa. Vale cualquier tensión entre los 6 y los 12 voltios. Los 9v de las pilas de petaca van muy bien.
PINES DE ALIMENTACIÓN: Son pines con funciones diversas:
– IOREF: Referencia de voltaje a la que trabaja Arduino.
– RESET: Para resetear la placa desde un pulsador externo.
– 3.3V: Proporciona exactamente 3,3 voltios.
– 5V: Proporciona exactamente 5 voltios.
– GND: Proporciona la masa cuando conectamos algo a la placa usando los pines 3.3V o 5V.
– Vin: Sirve para alimentar la placa de forma alternativa al conector 6v-12v.
PINES ANALÓGICOS: Son terminales que sirven para comunicar la placa con el exterior mediante sensores analógicos. Pueden configurarse como de entrada o de salida. Son 6.
MICROCONTROLADOR: Es el cerebro de la placa. Se encarga de ejecutar las instrucciones del programa.
PINES DIGITALES: Tienen el mismo propósito que los analógicos, pero sólo admiten información digital (0V = 0, 5V = 1). Son 14.
2.1. CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD (electrónica):
Para trabajar con Arduino y montar circuitos electrónicos tenemos que aprender unos conceptos básicos sobre electricidad y nociones de funcionamiento de algunos dispositivos. Los conceptos serán:
Magnitudes básicas (voltaje V, corriente I, resistencia R) y potencia eléctrica P
Ley de Ohm (fórmula que relaciona las magnitudes básicas)
En el vídeo siguiente los podemos aprender.
LED (Light Emitting Diode = diodo emisor de luz):
Un LED es un diodo semiconductor que emite luz. Se usan como indicadores en muchos dispositivos, y cada vez con mucha más frecuencia en iluminación. Los LEDs presentan muchas ventajas sobre las fuentes de luz incandescente como un consumo de energía mucho menor, mayor tiempo de vida, menor tamaño, gran durabilidad y fiabilidad.
Existen LEDs de varios colores, y cada uno tiene un voltaje de funcionamiento. Además, si nuestra pila tiene más voltaje del que necesita el LED, habrá que usar una resistencia para que no se queme el LED. Tendremos que calcular el valor de la resistencia usando la Ley de Ohm.
El LED además tiene una polaridad, es decir, un orden de conexión, y al conectarlo al revés no funcionará. Para conectar un LED polarizado directamente y que emita luz, el cátodo (pata corta) debe conectarse al polo positivo de la pila, y el ánodo (pata larga), al negativo de la pila. Si lo hacemos al revés no se iluminará porque no pasará corriente.
Resistencias:
Una resistencia es un material formado por carbón y otros elementos resistivos para disminuir la corriente que pasa. Se opone al paso de la corriente. La corriente máxima en una resistencia viene condicionado por la máxima potencia que puede disipar. Los valores más comunes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W.
El valor de la resistencia eléctrica se obtiene leyendo las líneas de colores como un número de dos o tres cifras; se multiplica por el multiplicador y se obtiene el resultado en Ohmios (Ω).
Una resistencia no tiene polaridad, es decir, da lo mismo qué patilla conectamos al negativo de la pila, funciona siempre. Las usaremos para disminuir el voltaje que cae en un LED, para que éste no se rompa. En esta página podemos obtener el valor de resistencia que necesitamos para cada LED.
Protoboard:
Una protoboard o placa de pruebas es un tablero con orificios conectados eléctricamente, que se usa en proyectos de robótica y permite conectar fácilmente componentes electrónicos entre sí, sin necesidad de realizar una soldadura. Las conexiones en una protoboard se hacen con solo insertar las patillas de los componentes o los cables, lo que permite armar y modificar circuitos con mayor velocidad.
Los orificios forman filas y columnas y están conectados eléctricamente de una manera que tenemos que conocer para armar nuestros circuitos. Lo puedes observar en la imagen de la derecha:
2.2. CIRCUITO PARA HACER LUCIR UN LED:
Para conectar un LED y que se ilumine en un circuito tenemos que asegurarnos de que no caiga mucha tensión en el LED, pues podría romperse. Esto se consigue colocando una RESISTENCIA en serie con el LED.
El LED tiene un voltaje de operación que va de 1.5V a 2.2V aproximadamente y la gama de corrientes que debe circular por él está entre los 10 y 20 miliamperios (mA).
Para calcular la resistencia que debemos aplicar al diodo debemos tener en cuenta la intensidad que debe pasar por él y la tensión a la que lo estemos alimentando (la de la pila), una vez conocido estos valores podemos calcular, mediante la ley de Ohm, la resistencia adecuada.
En el ejemplo de la derecha, tenemos la V de alimentación 9V, suponemos un led rojo con Vled=1,8 V y su corriente de trabajo I=20 mA. Aplicando la fórmula sale R = 470 ohmios.
ACTIVIDADES 1, 2 y 3:
Contesta a las siguientes preguntas en la libreta y súbelas a classroom:
a) Escribe la fórmula de la Ley de Ohm para despejar la resistencia:
b) ¿Qué es un led y cómo se conecta para que se ilumine en un circuito?
c) ¿Qué es una resistencia y por qué hay que ponerla siempre con un led?
d) ¿Qué es una protoboard y para qué sirve?
En tu libreta contesta a estas preguntas y súbelas a classroom:
a) Calcula la resistencia de protección para un led rojo con Vled = 1,8 V si lo conectamos a una pila de 3 V.
b) Calcula la resistencia de protección para un led verde con Vled = 2,4 V si lo conectamos a una pila de 4,5 V.
c) Calcula la resistencia e protección para un led amarillo con Vled = 2,1 V si lo conectamos a una pila de 9 V.
Nota: Considera una corriente que pasa por el led de valor 20 mA.
Entra en Tinkercad y realiza las actividades "led rojo", "led verde" y "led amarillo" que encontrarás allí. Copia los enlaces de tus montajes de Tinkercad en los comentarios de la tarea de classroom.