Sensores y Actuadores

Arduino es una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en software y hardware flexibles y fáciles de usar. En este capítulo ofrecemos una guía de referencia rápida que siempre puede ser ampliada accediendo a la página oficial: www.arduino.cc

 

¿Qué es Arduino?

Arduino es una tarjeta electrónica que integra básicamente a un microcontrolador y un conjunto de pines de conexión de entradas y salidas que permiten, mediante un determinado programa, interaccionar con el medio físico mediante sensores y actuadores electrónicos. De esta forma podrás crear tus propios proyectos tecnológicos, dotarlos de sensores que detecten magnitudes físicas como luz, calor, fuerza, etc… y en base a esa información, escribiendo un programa, activar otros dispositivos (actuadores) como pequeñas bombillas, ledes, servomotores, pequeños motores DC, relés, etc… Los sensores se conectan a los pines de entrada y los actuadores a los de salida.

¿Sabías que.... ? Uno de los co-creadores de Arduino es Español, de Zaragoza: David Cuartielles +info

¿Qué es un microcontrolador?

Es un circuito integrado que se puede programar, o sea que puede ejecutar las órdenes que tenga almacenadas en su memoria. Tiene las tres funciones principales de un computador: la unidad central de proceso, memoria y entradas y salidas.

Arduino utiliza la marca ATMEL, y el modelo de microcontrolador depende del tipo de tarjeta, por ejemplo la tarjeta Arduino Uno utiliza el micro ATMEL MEGA 328P. Si quieres saber las entrañas de esta placa aquí

¿Qué se puede hacer con Arduino? ¿Algún ejemplo?

Realmente el límite lo marca tu imaginación pero por dar alguna pista, podrías diseñar un sistema para la apertura y cierre de la puerta de un garaje, hacer un robot móvil que detecte objetos o que siga una línea negra, crear un detector de luz y oscuridad, implementar un termómetro, controlar un cilindro neumático, etc…

En este manual tienes múltiples ejemplos de pequeños proyectos para el aula, aunque Arduino es una herramienta que también se utiliza en el ámbito profesional para monitorización de sensores y automatización a pequeña escala por su flexibilidad, fiabilidad y precio.

¿Qué son las entradas y salidas?

Mediante los conectores de Arduino correspondientes a las entradas y salidas podemos comunicar nuestros programas con el “mundo exterior”. Si queremos leer el valor de la magnitud física medida por un sensor, por ejemplo una LDR que detecta el nivel de luminosidad, lo tendremos que hacer conectando el sensor a uno de los pines de entrada (en este caso analógicas) de la tarjeta.

De esta forma con una simple instrucción de lectura en el programa, podremos obtener el valor de la magnitud física. Si nuestra intención es actuar o “hacer algo” una vez leído el valor del sensor, por ejemplo encender un led si el sensor de luminosidad detecta oscuridad, tendremos que conectar el actuador (en este caso el led) a un pin de salida que proporcionará la corriente necesaria para activarlo.

En Arduino las entradas pueden ser analógicas o digitales y las salidas sólo digitales. Cada pin digital tiene doble función entrada o salida. En la zona de configuración del programa hay que indicar explícitamente mediante una instrucción cuál es función desempeña un determinado pin.

¿Dónde se conectan los sensores? ¿A las entradas analógicas o digitales?

La mayoría de sensores miden señales analógicas y proporcionan una variación de voltaje dentro de un rango (normalmente de 0 a +5V) dependiendo de lo que varíe la magnitud física medida. Muchos sensores son resistivos a algo (luz, temperatura, humedad,…), es decir que varían su resistencia eléctrica con la magnitud física, pero mediante un sencillo montaje de divisor de tensión conseguimos una variación de voltaje apta para Arduino. Estos montajes los veremos en las prácticas.

Veamos este ejemplo:
El sensor LDR es una resistencia que cambia según la intensidad de la luz. La estrategia es colocar el LDR en un divisor de tensión con otra resistencia de valor parecido al promedio del que da el LDR (por ej 10k), y el valor del punto de unión proporciona una tensión entre 0 y 5V. Como es una señal analógica, la conectamos a una entrada analógica (en la figura al A6)

Una vez realizadas las conexiones, si midieramos la salida del sensor con un voltímetro nos daría un valor decimal, por ejemplo un nivel de luz “intermedio” (rango de 0 a 5V) de un sensor de luz podría dar 3,3 voltios. Este tipo de información el microcontrolador no la entiende tal cual, sólo es capaz de interpretar números binarios (“0” ó “1”) por lo que para traducir los valores analógicos dispone internamente de un conversor analógico – digital que hará la conversión entre los dos sistemas, de forma que podremos tener valores discretos de la medida de los sensores analógicos. En el Arduino las entradas analógicas leen valores analógicos entre 0V y la alimentación (normalmente 5V) y los convierten en números entre 0 y 1023 (porque lo codifica en 10 dígitos binarios proporcionan  2¹⁰ = 1024 combinaciones).

Por ejemplo, si la entrada analógica lee un valor de 3,3V y la fuente de alimentación es 5V, la señal analógica que lee Arduino, haciendo una regla de 3, tiene un valor de 3,3 * 1023 / 5 = 675,18 = 675

Mapeo
Para convertir estos valores 0 -1023 a valores más legibles, por ejemplo 0 - 100 para representarlo en % o 0-5 para que represente la medida en voltios ... veremos en programación la función mapear

La mayoría de los sensores nos lo venden ya preparados montados en una pequeña placa electrónica y con circuitos integrados auxiliares para no tener que estar haciendo divisores de tensión. Pueden tener salida analógica o salida digital, que en este caso lo tenemos que conectar a cualquier entrada digital D0 hasta D13.

Veamos el mismo ejemplo del LDR: Podemos comprar este módulo:

Estos módulos proporcionan 3 pines: dos que son la alimentación, (0V, GND o - )  y (+5V V+o Vcc) y el pin que proporciona la lectura (Vout o D0 o I/O). En el caso de que sea un sensor que mida una magnitud analógica como en este caso la luz, suelen proporcionar un potenciómetro para determinar qué luminosidad se considera un 0 o un 1.

¿Hay sensores digitales que no estén en una placa electrónica?

Las entradas digitales sin una placa electrónica son cuando las señales a leer son valores discretos. Por ejemplo queremos poner un pulsador o un interruptor que encienda un led. Hacemos un montaje que cuando se pulse, entren 5 voltios en el pin digital de entrada y cuando no se pulse que “entren” 0 voltios. De esta manera la lectura del pin digital de entrada será “HIGH” con 5 voltios o “LOW” con 0 voltios.

Veremos más adelante que un interruptor no es un simple cable que conectamos a +5V o a 0V pues ¿Qué valor lee Arduino mientras levantamos el cable de un sitio a otro?, para ello veremos configuraciones Pull-up o Pull-down que se repiten en muchos sensores.

¿Qué son las salidas digitales etiquetadas con PWM (~)?

Son salidas digitales que simulan una salida analógica. Las siglas significan Modulación por Ancho de Pulso (Pulse Width Modulation) es decir, proporcionan una onda cuadrada con un nivel alto (+5V) de “cierta” duración.

Los valores PWM que podemos proporcionar pueden ir desde 0 a 255.

• Un valor bajo es una señal cuadrada donde el pulso es pequeño comparado con el periodo (ver figura primera señal) por lo tanto el Valor medio es bajo.
• Un valor mitad, es decir 255/2 = 127 o 128, corresponde a una señal cuadrada perfecta (ver figura segunda señal) por lo que el Valor medio es la mitad, si 5V es la tensión de alimentación, sería 2,5V.
• Un valor alto es una señal cuadrada donde el pulso es grande comparado con el periodo (ver figura la tercera señal) por lo tanto el Valor medio es alto
• Un valor 0 corresponde a un 0V analógico y sería una señal sin pulso
• Un valor 255 corresponde a la máxima tensión (la de alimentación (normalmente 5V). 
• La frecuencia es de 490Hz para los pines 3, 9, 10, 11 y de 980Hz para los pines 5 y 6 en un Arduino UNO o Nano

De esta manera podemos simular señales analógicas, esto es muy útil para activar servomotores y llevarlos a una posición determinada o variar la luminosidad de un led o en los motores de los robots que vayan más deprisa o más despacio

¿Puedo accionar motores DC con Arduino?

Si son motores muy, muy pequeños sí sería posible aunque no es recomendable, pueden dañar la placa. Los motores necesitan un consumo alto de corriente, sobre todo si tienen que mover cierta carga, por lo que se recomienda o bien utilizar una tarjeta Shield o extensión de Arduino que dispone de circuitería apta para proporcionar dicha corriente (transistores).

• En el curso Arduino con código utiliza una Shield llamada Edubásica que dispone de un transistor y un circuito integrado LM293 para realizar esta función, además de otras ventajas para el aprendizaje de Arduino.
• En el curso Rover con Arduino utiliza Shield motor para NodeMCU
  

 

Placa Arduino

Arduino puede tomar información del entorno a través de sus pines de entrada de toda una gama de sensores y puede afectar aquello que le rodea controlando luces, motores y otros actuadores. 

Entradas y salidas

La placa Arduino UNO consta de:

• DIGITALES:
  • 14 entradas/salidas digitales D0-D13 previamente hay que configurarlas o entradas o salidas. Que operan a 5 ó 0 voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir como máximo 40 mA.
    • Los pines D0 y D1 son compartidos por el puerto USB por lo tanto no se pueden utilizar si se está comunicando con el ordenador, están marcados como TX/RX (transmisión y recepción puerto serie).
• ANALOGICAS
  • 6 entradas analógicas A0 al A5 con una resolución de 10 bits que proporcionan un número entero de 0 a 1023. Por defecto miden de 0 voltios (masa) hasta 5 voltios. 
  • 6 salidas pseudo-analógicas, en los pines digitales 3, 5, 6, 8, 10 y 11 son PWM (Pulse Width Modulation) y como hemos visto, pueden proporcionar una salida cuadrada que su valor medio puede estar entre 0 y 5V

La intensidad de corriente que pueden proporcionar como salida son 20mA.

Pines de la placa

Elementos con los que podemos interactuar: (tomando como ejemplo la placa USB). Empezando en el sentido de las agujas del reloj desde el centro de la parte superior:

• Pin de referencia analógica (naranja).
• Señal de tierra digital (verde claro).
• Pines digitales 2-13 (verde).
• Pines digitales 0-1 / entrada y salida del puerto serie: TX/RX (azul) (estándar de comunicación serie IC2).
• Botón de reset (negro).
• Entrada del circuito del programador serie (marrón).
• Pines de entrada analógica 0-5 (azul oscuro).
• Pines de alimentación y tierra (naranja y naranja claro).
• Entrada de la fuente de alimentación externa (9-12V DC)
• X1 (gris). - Entrada fuente de alimentación externa 
• SV1: En las placas antiguas existen estos pines para conmutar si la alimentación es por el puerto USB, ahora lo realiza automáticamente un transistor MOSFET
• Puerto USB (rojo).

Las placas: Arduino Diecimila, Arduino Duemilanove o UNO y Arduino Mega están basados en los microcontroladores Atmega168, Atmega 328 y Atmega1280 respectivamente. Trabajan a 16MHz, una velocidad suficiente para proyectos de robótica. Su capacidad de memoria Flash van desde 16k el Atmega168 hasta 128k Atmega1280, suficientes para que quepan nuestros programas de robótica.

SHIELDS para Arduino

Las llamadas Shields (escudos) para Arduino son tarjetas que se acoplan a la placa Arduino y añaden funciones y potencialidad a la placa Arduino.  Según mi criterio hay dos tipos de Shields: Las educativas y las no educativas

Shields educativas

Hay muchas Shields Educativas, vamos a ver unos pocos ejemplos

• La shield del curso Arduino con código EDUBASICA, que integra algunos sensores y actuadores, pero lo que destaca es que además tiene la opción de conexión de motores o actuadores que requieran potencia, pues la placa Arduino por sí sola no puede proporcionar la suficiente intensidad para alimentar motores, relés o electroválvulas. El límite de intensidad que proporciona cada una de las salidas digitales es de 40 mA. Para poder activar estos dispositivos tendremos que montar un circuito externo adicional con transistores o circuitos integrados específicos para motores, como es el caso del LM293, que entregan la intensidad suficiente. Para facilitarnos la tarea esta placa integra un LM293 y un transistor de potencia, en total 5 salidas de potencia.

• La shield del curso ECHIDNA  que tiene integrados sensores y actuadores como el acelerómetro, sensor de luz, pulsadores, potenciómetro, altavoz...  y destaca el Joystick con la posibilidades de gamificación que se puede hacer con este elemento. También destaca el modo MAKEY que permite convertir los pines analógicos y los digitales D2 D3 en pines sensibles al tacto, con las mismas posibilidades que la placa MAKEY MAKEY (ver curso Makey Makey). Actualmente Echidna ya no fabrica esta Shield sino comercializa la ECHIDNA BLACK que no es una shield sino es autónoma (es decir, NO necesita la placa Arduino, la tiene integrada)
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• La shield del curso ARDUINO EN EL AULA, la TDR-STEAM que tiene muchas posibilidades didácticas por su sensores (temperatura, humedad, luz, potenciometro, pulsador, receptor IR).

• La Shield k5864195 muy sencilla y barata, si lo que se busca son sensores sencillos (pulsadores, potenciómetro) y actuadores sencillos (altavoz, leds y display 7 segmentos).

• Shield Protoboard que simplemente tiene una placa para hacer los prototipos. Por ejemplo Curso de Domótica con Arduino
  

Shields no educativas

Es difícil elegir unos ejemplos de toda la variedad comercial que existe y tanta vitalidad de versiones (ver lista), preferimos que en caso de que necesites alguna función extra a tu Arduino, busques en ese momento cual es la mejor Shield que se adapta a tu proyecto. Es importante que sepas que existen Shields para todo, por ejemplo para...

• Agregar conectividad al Arduino, ya sea por red móvil (3G, 4G), por Wifi, Bluetooth o por cable Ethernet o incluso localización GPS.
• Agregar potencia a las salidas para conectar por ejemplo motores, como el de Edubásica pero más especializado en esta función y con más salidas pero por ejemplo la L293D ⨤7€ permite 4 motores, motor paso a paso, servo....
• Shields con relés para conectar sensores y actuadores con tensión y así no tienes problemas de quemar el Arduino.
• Shields con batería que en el caso de corte de alimentación, permiten que el Arduino no se apague.
• Entrada y salida de imagen con pantalla líquida y cámara

Y encima se pueden apilar !! consiguiendo aumentar la capacidad de tu Arduino tanto como necesites (sin pasarte, pues pues alimentación del Arduino es limitada al menos que la Shield tenga su propia alimentación.

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Alimentación eléctrica de Arduino

Uno de los aspectos claves para el buen funcionamiento de proyectos con Arduino, es que no incluyan elementos que consuman una intensidad superior a 200 mA como motores, relés, electroválvulas, etc.. Si los incluyen, entonces todo falla, debido a que no se ha alimentado correctamente la placa.

Tenemos dos posibilidades para alimentar Arduino:

A .- Mediante el cable USB conectado al ordenador:

• Cada pin proporciona 40 mA.
• El límite proporcionado por el USB es de 500 mA en total.

Si conectamos demasiada carga, la placa Arduino suele tener un comportamiento anómalo pudiéndose resetear el micro.

B .- Utilizando una fuente de alimentación externa conectada al Jack de Arduino (fuente de voltaje, adaptador de corriente, batería o portapilas) :

• El voltaje recomendado de la fuente externa está entre 7 y 12V.
• Tiene un diodo de protección para proteger la placa de cambio de polaridad accidental.
• La intensidad máxima que puede entregar Arduino a los actuadores que queramos controlar (servos, motores, relés,...) es de 1A, aunque una exposición prolongada a esta corriente puede estropear la placa. Lo recomendable son 500 mA.
• El pin serigrafiado con Vin proporciona directamente el voltaje de la fuente conectada al Jack de Arduino (menos la caída de tensión del diodo de protección) Desde ese pin podemos sacar un cable y alimentar a los actuadores que necesitemos. Por ejemplo, si alimentamos con una pila externa de 9V conectada al jack, en el pin Vin tendremos aproximadamente 9V (hay que restar la caída de tensión del diodo de protección que será de medio voltio). Además en los pines 5V y 3.3V dispondremos también de dichos voltajes aunque la fuente externa sea de 9V.

C.- No recomendable: Conectando el positivo (+Vcc) de la fuente externa a Vin y el negativo a GND:

Podemos alimentar Arduino externamente si necesidad de conector Jack a través de Vin y GND el problema es que nos saltamos un diodo de protección que evita  que se queme el circuito por un exceso de corriente.

CONCLUSIÓN:

• Si necesitamos hacer funcionar actuadores de bajo consumo (luces, zumbadores, etc...) podremos trabajar directamente con el USB conectado al ordenador o conectado a un PowerBank.
• Si necesitamos mover cargas, excitar bobinas u otros elementos de mayor consumo lo recomendable es alimentar externamente Arduino desde el Jack con un rango de 9 a 12V.

Si vas a utilizar elementos que requieran más de 800mA tienes que usar la alimentación externa del Jack y alimentar esos elementos por el pin Vin del Arduino.

Si esos elementos van a ser alimentados de forma independiente. ES IMPORTANTE UNIR LAS MASAS, En caso contrario, romperás la placa Arduino.

En este ejemplo se ha conectado el motor a una tensión externa (la pila) y la placa Arduino al USB fíjate como se han unido las masas
Opcionalmente se ha optado por unir el + de la pila con Vin. Eso equivale a conectar la pila al Jack. Esto hace que si quitamos la alimentación USB, la placa Arduino sigue alimentada.
Es recomendable unir la fuente externa (pila) al jack y no como se muestra, pues así tienes un diodo de protección que te protege la placa Arduino en el caso de que cambies la polaridad de la pila de forma accidental. ¿Porqué en este circuito no se ha hecho así? Porque en Tinkercad no he encontrado un Jack.