UNIVERSIDAD REGIONAL AUTÓNOMA DE LOS ANDES UNIANDES Nombre: JOHN KEVIN BENALCÁZAR MAFLA DOCENTE: ING. ANA LUCIA SANDOVAL
MANUAL DEL CURSO ASISTIDO VÍA ONLINE
PRIMERA SEMANA ¡Bienvenidos/as al curso "ELECTRONES EN ACCIÓN: ELECTRÓNICA Y ARDUINOS PARA TUS PROPIOS INVENTOS”! VIDEO INCIAL: MOTIVACIÓN
VIDEO 1
Del mundo físico al electrónico La electrónica se nos presenta como una herramienta muy versátil • Capaz de adquirir señales del mundo físico • Capaz de procesar información a gran velocidad • Capaz de realizar acciones físicas Las partes que componen un sistema son:
Sensores, procesadores y actuadores Sensores y transductores
Permiten adquirir señales, para diferentes variables: temperatura, presión, sonido, luz, Distancia, Aceleración, Angulo contacto, señales eléctricas, gas, partículas.
Procesador: permite procesar información.
Diferentes Tipos: Analógicos, Digitales, programables, no programables, embebidos, de propósito general, diversas prestaciones
Actuadores y transductores: permite realizar acciones. Ejemplos: Sonido, luz, calor, etc.
La electricidad en el proceso de información Al pensar en capturar, procesar o entregar señales, inevitablemente terminamos utilizando electricidad.
Video 2: ¿Qué es la electricidad? Es una forma de energía Fácil de generar. Fácil de convertir a otros tipos de energía. Fácil de transportar a varias cantidades. Fácil de conducir a pequeñas cantidades y a gran velocidad y precisión. La electricidad puede ser utilizada en muchas aplicaciones. Es ideal para aplicaciones de potencia (motores, calefactores). También es ideal para manejar señales e información (audio, video, info-digital, etc). Existe electricidad estática y dinámica.
En este curso se hablara de electricidad dinámica. ¿De qué está hecha la electricidad? La electricidad dinámica es el flujo de carga eléctrica a través de un elemento o material. Los portadores de carga eléctrica son los electrones. Los electrones se mueven en respuesta a un campo eléctrico.
A medida que los electrones avanzan por su camino, van perdiendo energía. Van convirtiéndola en otras formas de energía. Una consecuencia indirecta que podemos utilizar para nuestro beneficio es el almacenamiento y procesamiento de información. ¿Cargas positiva o negativas? Existen cargas positivas y negativas Típicamente la electricidad se produce por el movimiento de cargas negativas. Los electrones tienen carga negativa. Pero el movimiento de cargas negativas en una dirección tiene el mismo efecto que el movimiento de cargas positivas en otra dirección. Por convención, se asume que la electricidad se produce por supuestas cargas positivas que se mueven en mueven en la dirección contraria de los movimientos de los electrones en un conductor.
Una analogía sencilla En el agua en lecho de un rio Se mueve desde un punto más bajo. Mientras más alto, mas energía potencia hay. Es capaz de desarrollar más trabajo útil. Cargas eléctricas positivas en un conductor eléctrico Se mueven desde un punto mayor voltaje o potencial a punto de menor voltaje. A más alto potencial o voltaje, más energía tienen. Es capaz de desarrollar más trabajo útil.
¿Entonces que es la electricidad? Es una forma de energía. Es el movimiento de cargas eléctricas a través de un circuito. Cantidades físicas La electricidad inevitablemente lidia con variables físicas- cantidades medibles. Típicamente variables físicas son traducidas a voltajes o corrientes de un circuito. Procesamos estas cantidades mediante e circuito. Pueden abarcar muchos ordene de magnitud. Ejemplo: Problema: Números muy grandes o pequeños.
PREFIJOS
Video 3: Introducción a las señales eléctricas La electricidad como un fluido Antiguamente se pensaba que había dos tipos de electricidad Se pensaba que la electricidad debida a cargas positivas era diferente a la de cargas negativas. Benjamín Franklin describió la electricidad como un fluido de un solo tipo que circula atreves de conductores. El exceso o déficit de este daría lugar a cargas positivas o negativas. No estaba tan equivocado... Si reemplazamos ese fluido por electrones y agregamos un par de detalles, podemos describir los circuitos eléctricos bajo los mismos principios Franklin. Una de las mejores analogías de los circuitos son los circuitos hidráulicos. Es solo un analogía, valida en condicione particulares. Ayudan a entender un poco los circuitos eléctricos.
Luego podemos prescindir de la analogía. Dos cantidades... Hay dos variables físicas sobre las que se fundamenta todo lo que sabemos de electricidad. Voltaje (V se mide en volts- V) Se relaciona con la altura en un circuito hidráulico. Tiene que ver con la energía de los portadores de carga. Se mide en un punto de relación a una referencia arbitraria. Corriente (I se mide en amperes-A) Se relaciona con el flujo o caudal en un circuito hidráulico. Tiene que ver con cuantos portadores de carga que circulan por una sección del circuito en un tiempo determinado. Se mide de manera absoluta en una sección de un conductor. Voltaje (tambien llamado sección) A mayor voltaje en un punto, mayor energía tienen los portadores de carga que se encuentran ahí. Portadores de carga con mayor energía pueden realizar más trabajo útil. Ej. Mover un motor rápidamente, o encender la luz a mayor intensidad. Si dos objetos son voltajes diferentes se tocan, sus voltajes se equiparan y para ello debe fluir corriente eléctrica.
Corriente Es el flujo de portadores de carga. Al haber corriente, los portadores de carga van cambiado su nivel de energía (cambian de voltaje). Las corrientes fluyen desde voltajes más altos hacia voltaje más bajos. Esa diferencia de energía no se pierde, sino que se convierte en otras de formas de energía. La corriente fluye a través de: Conductores eléctricos, dispositivos electrónicos, luces, motores, objetos.
Las señales eléctricas llevan información
En general las señales eléctricas (típicamente de voltaje) varían en el tiempo.
Las señales tienen una parte variable y una constante: DC: promedio de la señal. AC: parte variable de la señal Señales variables: frecuencia y periodo Las señales variables pueden ser descompuestas en una suma de señales de diferente frecuencia.
La típica señal sinusoidal
Cuestionario 1 Acerca de la electricidad
1. Selecciona la respuesta correcta para terminar la frase: La electricidad nos permite… Adquirir señales del mundo físico Procesar información Realizar acciones físicas 2. La corriente en un conductor eléctrico Es medida de manera absoluta, sin necesidad de una diferencia arbitraria 3. El voltaje es un punto de un circuito Tiene que ver con la energía de los portadores de carga en ese punto del circuito. 4. ¿Qué es la electricidad? Una forma de energía Es el flujo de portadores de carga atreves de un conductor.
Video 1: Los portadores de carga tienen diferente nivel de energía Cuando un portador de carga circula por un circuito, puede ganar o perder energía.
Energía en un circuito La energía es una propiedad física, cuantificable, que describe el estado de un sistema u objeto: Sistema eléctrico, mecánico, químico, nuclear, etc. Puede ser transformada en otros tipis de energía. Puede producir trabajo útil. La potencia es la velocidad a la cual la energía va cambiando, transfiriéndose o transformándose en diferentes formas (siendo consumida o generada). Energía y potencia Es posible calcular la potencia de un componente o circuito electrónico como:
La energía es la acumulación d esa potencia en el tiempo.
Almacenamiento de energía La energía eléctrica puede ser almacenada en baterías y otros medios. Diversas opciones de baterías.
Alcalinas (-1,5V por celda). Recargables de NiMH, NiCd, (-1,2V por celda). Plomo acido o gel (típicamente en 6 V o 12V). Ion-litio (3,7 V por celda). Polímero de litio (3,7 V por celda). Capacidad e batería se mide en mAh LAS BATERÍAS SE COMPORTAN COMO FUENTES DE VOLTAJE Conexiones entre baterías Baterías en serie: aumentan su voltaje, mantienen su capacidad. Nunca conectar en series baterías con capacidades diferentes.
Baterías en paralelo: mantiene su voltaje, aumentan su capacidad. Nunca conectar en paralelo baterías con voltaje diferente.
Video 2: Alimentación y señales de un circuito Los circuitos requieren fuente alimentación La alimentación generalmente proviene de una fuente de alimentación.
También conocida como fuente de potencia o fuente de poder. La fuente de alimentación suele ser una fuente de voltaje Puede ser voltaje AC: enchufe. También puede DC: baterías
Múltiples voltajes de alimentación Hay circuitos que requieren múltiples voltajes de alimentación Ejemplo +5 V/ -5V para procesar señales analógicas. +3.3 V para un micro controlador digital. +12 V para energizar motores u otros actuadores Generalmente obtienen todos esos voltajes a partir de reguladores de voltaje.
Reguladores de voltaje Dos tipos lineales y conmutados. Los lineales permiten reducir el valor absoluto del voltaje de alimentación. Ej: 5V a partir 7V a 35V O bien -5V a partir de -7V a -30V Los conmutados son mucho más flexibles y eficientes, pero: Son más ruidosos. Son más difíciles de usar
Señales Típicamente de 3 tipos: Digitales, analógicos y de potencia. En general las señales están circunscritas a su riel correspondiente. Ej: señales digitales nunca exceden riel de alimentación digital. Señales analógicas están limitadas a riel de alimentación analógica. Señales digitales Típicamente son las que comunican bloques digitales: Micro controlador. Sensores con salida digital. Ej. Sensor digital de posición. Actuadores con entrada digital Ej. Servo Adoptan valores discretos: 0 o 1. Tienen significado individual o como parte de un bus. Señales analógicas Típicamente son salidas de sensores analógicos ej. Sensor analógico de temperatura. Pueden adoptar valores arbitrarios, generalmente entre los valores correspondientes. Su valor suele ser proporcional a alguna variable. También pueden llevar desnivel u offset. Señales de potencia Típicamente corresponden a salidas de amplificadores de potencia y entradas de actuadores de potencia. Ej. Parlante, ampolleta, antena. Pueden adoptar valores discretos o continuos. Tambien suelen estar circunscritas a las rieles.
Video 3: Medición de señales: multímetro y osciloscopio Medición de voltajes y corrientes El instrumento más empleado es el multímetro. Permite medir voltajes AC y DC, resistencias y otras variables. Pueden ser analógicos o digitales.
Osciloscopio- visualización de señales Un osciloscopio permite graficar una o más señales de voltaje en el tiempo. Existen osciloscopios analógicos o digitales. Existen osciloscopios sin pantalla (en el computador). La entrada de un audio de un PC puede funcionar como osciloscopio- solo para señales AC.
Visualizar es mejor que adivinar El osciloscopio permite ver las señales de un circuito. Esto nos sirve mucho al momento de diseñar o reparar un circuito. Algunos osciloscopios permiten grabar señales para luego analizarlas. Cuestionario 2 1. La potencia es la tasa o velocidad de cambio (transferencia, transformación, consumo) de la energía. Selecciona si es verdadero o falso. Verdadero 2. Una batería almacena: Energía 3. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? Las baterías en serie aumentan su capacidad, manteniendo el voltaje. 4. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? Una fuente de voltaje certificada para 9V y 300 mA no puede aumentar un circuito que requiere 9V y 100 mA. 5. ¿Cuál de las siguientes preguntas es falsa? Para medir voltajes, un multímetro ofrece una pequeña resistencia al paso de la corriente. 6. ¿Cuántas horas demora en cargar una batería de 12V y 500 mAh de capacidad, mediante un cargador que entrega 50 mAh? Exprese su respuesta como el número de horas (por ejemplo, si demora 7 hora debe ingresar solamente el numero 7) 10 7.¿aproximadamente cuantas horas dura una batería de 1 Ah alimentando una carga que consume 100 mA? 10 Video 1. Representación digital de señales e información Circuitos digitales Son circuitos que procesan y almacena información digital o binaria. Permiten un gran nivel de integración (mucha funciones en poco espacio físico). Algunos son programables En general pueden interactuar con el mundo a través de circuitos conversores de datos.
Información digital o binaria- el bit El bit es la unidad de información digital más pequeña. Un bit puede representar uno de dos estados: verdadero o falso que llamamos uno o cero lógico. Un bit de información puede codificar información de diferente naturaleza: Encendido o apagado Aprobé o reprobé el curso Este pixel de la pantalla es blanco o negro. Puede ser representado por cualquier sistema o mecanismo que tenga solo dos estados posibles. Ej. Luz verde o luz roja. O por voltaje alto o bajo. O por una bandera visible u oculta Bits para representar y transmitir información En electrónica los bits son codificados en niveles de voltaje. Ej. 5V para 1 lógico, y 0V para 0 lógico. Los bits pueden ser agrupados en palabras. Por ejemplo, a una palabra de 8bits llamamos bytes. A una palabra de 4 bits llamamos nibble. Las palabras digitales pueden representar números, letras, niveles de voltaje, instrucciones en un procesador, etc. Los bites son fáciles de procesar con circuitos digitales. Los bites son fáciles de transmitir (insensibles al ruido)
Ejemplo de señales digitales
Diagrama de tiempo o de temporizador
Bases y números binarios Los terrícolas generalmente usan la base 10 para representar números. Algunas tribus antiguas usaban base 20. Pero la base 10 no es muy cómoda para representar señales en electrónica. Asumamos que cada digito es representado por una señal. Si una señal tiene 10 niveles diferentes posibles, puede ser difícil diferenciarlos Cualquier ruido podría provocar confusión. Si una señal tiene 2 niveles diferentes, es más robusta ¿Qué significa base 10? Cada número es representado por varios dígitos. Desde el digito menos significativo a la derecha (LSB) hasta el mas significativo a la izquierda (MSB). Diferentes dígitos tienen pasos correspondientes a diferentes potencias de 10.
¿Qué significa base2? Lo mismo pero con potencia de 2
¿Cómo pasamos de una base a otra?
Fundamentos de la lógica y el procesamiento digital Lógica booleana La lógica booleana (en honor al matemático George Boole) establece la operatoria entre bits. Los bits son procesados y almacenados mediante compuertas lógicas. Que son circuitos electrónicos muy sencillos. Un computador puede tener miles de millones. Tres compuertas lógicas fundamentales: NOT, AND, OR. Un circuito digital es una interconexión entre compuertas lógicas. La operatoria entre bits puede ser expresada por tablas de verdad. Tablas que indican relación entre entradas y salidas en un circuito lógico. Circuitos que procesan bits y circuitos que guardan bits Los circuitos que procesan bitas se llaman circuito combi nacionales. Sus salidas dependen únicamente de sus entradas. Son los que hemos visto hasta el momento. Se fabrican en base a compuertas lógicas. Los circuitos que almacenas bits se llaman circuitos secuenciales. Sus salidas dependen de sus entradas y también de sus salidas anteriores. Son como especies de memorias. Registros digitales Un registro puede almacenar información digital. Para almacenar un byte necesitamos 8 registros de 1b. En general los registros pueden ser leídos y escritos. Al escribir, grabo un bit en su memoria. Al leer, recupero un bit de su memoria. Los registros volátiles pierden la memoria al ser des energizados. Cuestionario 3 1. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? Un byte corresponde a una palabra digital de 16 bits. 2. ¿Cuántos estados distintos es posible representar mediante una palabra de 4bits? 16 3. ¿Cuántos bytes son necesarios para almacenar una imagen de un mega pixel (un millón de pixeles), codificando 3 colores por pixel, cada uno a 8 bits, y sin compresión? 3000000
4. ¿Cuál es la representación decimal del numero binario 10101? 21 5. ¿Cuál es la representación de 25(decimal) en binario? 11001 6. ¿Cuántas filas tendrá la tabla de verdad de una compuerta lógica de 3 entradas? 8 7. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? Los circuitos digitales son muy sensibles al ruido electrónico. Video 1 Conversión A/D Y D/A El mundo es analógico Pero el procesamiento es principalmente digital Existen circuitos llamados de forma genérica conversores de datos que permiten comunicar ambos mundos
ADC Los conversores análogo-digital (ADC) cumples dos funciones: muestrean la señal a tasa de muestreo fs . Cuantizan la señal en una resolución de B bits. La entrada es analógica, y la salida es digital. Cada muestra es una representación digital del voltaje en la entrada. Los ADCs pueden muestrear millones de veces por segundo y cuantizar típicamente entre 8 y 24 bits.
DAC Los conversores digital-análogo (DAC) cumples dos funciones: convierten el valor digital en valor analógico según la referencia. Mantienen la salida analógica hasta que reciben una nueva entrada digital. La entrada es digital y la salida es analógica. Los DACs pueden funcionar a tasas de millones de veces por segundo y resoluciones entre 8 y 24 bits.
Video 2. Acondicionamiento de señales: amplificación y filtrado ¿Cómo muestreamos señales muy débiles? A veces queremos muestrear señales muy pequeñas. Milésima de un volt o menos. En ese caso es necesario amplificar la señal antes de conectarla al ADC.
Amplificadores electrónicos Aumentan la amplitud de la señal. Se caracterizan por una ganancia de voltaje A. Toman energía de los rieles de alimentación. Pueden amplificar voltajes o diferencias de voltajes.
Teorema de Nyquist Supongamos señal compuesta por señales de diferentes frecuencias. Máxima frecuencia de señal es Fmax Si fs debe ser ajustada de acuerdo a la señal que vamos a muestrear. En caso contrario, es necesario filtrar antes de muestrear. Acondicionamiento de señales Consiste en amplificar y filtrar las señales antes de convertirlas a dominio digital. Para ello empleamos amplificadores electrónicos y filtros.
También podemos filtrar señales de salida de un DAC.
Cuestionario 4 1. ¿Cuál de las siguientes acciones no es realizada comúnmente por un ADC? Entregar como salida una señal analógica 2. Un DAC de 8 bits puede entregar voltajes entre 0V y 5V. ¿qué valor tienen los intervalos mínimos de voltaje (LSB), expresado en mV? 5000/2^8 3. En relación a los conversores de datos, ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? Un comparador de voltaje es un DAC de un solo bit.
Segunda semana Video1. Microprocesadores y la plataforma Arduino
Cuando ya vimos, hay muchos tipos de procesadores. Nosotros usaremos microprocesadores, tambiĂŠn llamados microcontroladores. ÂżQuĂŠ es un microprocesador? Un microprocesador es un dispositivo integrado que contiene: unidad de procesamiento digital. Registros (memoria) Entradas y salidas.
Normalmente son programables.
La plataforma Arduino Arduino es una plataforma de cรณdigo abierto basada en hardware y software fรกcil de usar.
La plataforma Arduino Comunidad mundial hay miles de personas usando Arduino. Muchas fuentes de informaciรณn y foros. Markers movement Cualquiera puede aprender a usar Arduino y hacer sus propios proyectos.
Video2 Primeros pasos: software
Como su nombre lo dice, Setup se usa para configuraciones iniciales. Loop contiene el hilo principal del programa
Funciones Por ahora una funcione s una caja negra. Aprenderemos como llamar una funciรณn: nombre, parรกmetros. Aprenderemos que hace, mรกs adelante veremos que hay adentro dela caja.
Video 3. Primeros pasos: hardware
Video 4. Entradas y salidas digitales Puertos digitales El micro controlador tiene puertos para comunicarse con el exterior. Generalmente estos puertos son digitales. Se pueden usar como entrada y salida. No ambas simultรกneamente. Cuidado con hacer cortocircuitos.
Entradas y salidas digitales
Comunicaciรณn serial La comunicaciรณn serial es un protocolo de comunicaciรณn digital muy usado en diferentes dispositivos. Las tarjetas Arduino permiten implementar este protocolo con funciones sencillas. El software Arduino incluye un monitor serial para realizar comunicaciones entre el computador y la tarjeta.
Aprenderemos a inicializar el protocolo y enviar datos desde el micro controlador. Mรกs adelante veremos la recepciรณn de datos.
Necesitamos 3 funciones:
Ejemplo de monitor serial
Cuestionario 1 1. ¿Qué hace la función pinMode? Configura un pin como entrada y salida 2. ¿Cuáles son las funciones básicas de un sketch de Arduino? Setud, load 3. ¿Qué hace la función digitalwrite? Cambia el estado e un pin como digital o analógico. 4. ¿Qué hace la función digitalread? Lee el valor actual de un pin 5. ¿Qué hace la función Serial.println(“contenido”)? Envía la palabra “contenido” y un cambio de línea por transmisión serial. Video 2 .Variables
¿Qué es una variable? Una variable es un espacio para guardar un dato. Tiene asociado un nombre, tipo y valor. Utiliza un espacio en la memoria. Este espacio está determinado por el tipo de variable. Tiene un valor por defecto, también llamado null o asignado. Crear una variable: declaración
Modificar y usar variables
Tipo de dato que utiliza un byte para almacenar un carácter. Un carácter se define cm comillas simples ‘a’. ¡Pero el valor guardado es un número! Este número corresponde a un carácter según la tabla ASCII.
Tabla ASCII
¿Por qué usar variable? Usar un valor en muchas partes. Modificar el valor solo una vez. Orden de código. Manejo de datos.
Operaciones matemáticas y lógicas.
Video 2. Arreglos Un arreglo es una colección de variable que puede ser accedido mediante un índice. Se puede crear arreglos de cualquier tipo de variable . Las variables de un arreglo son de un mismo tipo. El largo del arreglo se define una sola vez.
Modificar y usar arreglos
Recuerden que los índices validos van de 0 a largo de -1 Intentar acceder a un índice no valido producirá un valor incierto ¿Por qué usar variables? Permite agrupar variables. Manejo de gran cantidad de datos. Eficiencia de código. Uso de variables en ciclos. Video 3. String Un string es una variable usada para texto.
En Arduino hay dos representaciones posibles: string: arreglo de chars. String: tipo de datos definido en Arduino. String: arreglo de char Se define como un arreglo de char terminado en un char null. Un char null es un char que no ha sido asignado, o que fue asignado con su valor por defecto. String: arreglo de char Declaración y asignación
Crear un string: declaración
La función String permite crear variables tipo string de diversas maneras Video 4. Operaciones aritméticas y funciones con retorno Operaciones aritméticas
Funciones con retorno La función ahora es una caja negra que hace algo y entrega una respuesta la respuesta tiene un tipo definido y puede se asignada a una variable.
Funciones matemática
Aceptan cualquier tipo de variable El retorno es del mismo tipo
Cuestionario 2 1. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones son ciertas sobe una variable? Tiene asociado un pin de micro controlador Tiene un nombre, un tipo y un valor 2. Una variable tipo char Se utiliza para almacenar caracteres 3. La siguiente línea de código: int R= 23 Declara la variable R como un entero y le asigna el valor 23. 4. En el siguiente código ¿Cuáles son los valores de las variables D y R? int R; int D; R=5/2; D=5%2 R=2 y D=1 Video 1. Variables y lógica booleana Representación de diferentes bases
Operaciones lógicas por bit Las operaciones lógicas fundamentales se aplican sobre los bytes completos, bit por bit. No importa el tipo de variable (int, char, long, etc), las operaciones lógicas sólo se fijan en los bits.
Cambio de un solo bit Boolenos y operaciones de comparación Las variables booleanas son variables especiales para realizar operaciones boolenas. Pueden tomar solamente dos valores: true y false. También llamados High o Low, 1 o 0. Sin embargo usan un byte de memoria. Hay operaciones especiales para booleanas, que operan sobre la variable y no bit a bit. AND, OR NOT. La lógica de fondo es la misma, pero con una sintaxis diferente. Hay operaciones que tienen como retorno una variable booleana. Resultados de operaciones de comparación. Variables booleanas y operaciones de comparación
Video 2. Condiciones: if, else Hasta ahora el programa se ejecuta instrucción por instrucción, siempre en el mismo orden. Ahora aprendemos a agregar condiciones y modificar la secuencia en la que se ejecuta el programa. El comando if El comando if permite establecer una condición para ejecutar una porción de código.
El comando if
La condición puede aplicarse directamente dentro del comando if, sin el uso explicito de una variable booleana. Múltiples condiciones Una condición puede ser el estudio de múltiples condiciones
Se pueden combinar las condiciones que uno quiera El comando else El comando else permite incluir una sección de código para el caso en que NO se cumple la condición if.
Video 3. Loops: for y while – Loops Ya tenemos una nocion de un loop
Ahora aprenderemos a hacer loops que podamos controlar Ejecutar un numero definido de vueltas Ejecutar segun una condicion Loop while El loop while se va a repetir indefinidamente mientras la condición impuesta sea cierta.
El loop for Permite ejecutar una sección de código un número definido de veces según una regla establecida.
El loop for utiliza un variable, que se define o inicializa al iniciar el primer ciclo.
El loop for Es muy conveniente para recorrer arreglos pero sirve para muchas cosas. La inicialización el incremento y la condición son muy flexibles.
Comandos de escape A veces es útil salir de un ciclo en una parte arbitraria del código. Para esto existen dos comandos que pueden ser usados dentro de un ciclo for o while. Continúe termina el ciclo actual y pasa al siguiente. Es decir salta el código, entre el comando continue y el fin del ciclo. Break termina el ciclo actual y sale el loop.
Cuestionario 3 1. ¿Cuáles de las siguientes son operaciones de lógica booleana? AND , OR, NOT, 2. ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son verdaderas respecto a una variable booleana? Pueden tomar solamente dos valores. Solo pueden tomar números enteros negativos. 3. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta sobre las siguientes afirmaciones? if(a>b)( // Código 1 ) else ( Código 2 ) El código 2 se ejecuta solamente ai no se ejecuta el código 1. 4. En el siguiente código ¿Cuántas veces se imprime ciclo en consola?
5. En el siguiente código ¿cuántas veces se imprime ciclo en consola?
Funciones
Sintaxis
Una función debe ser declarada fuera de cualquier otra función Incluyendo loop() y Setup(). Que también son funciones. En la declaración se especifica el tipo de retorno y de los parámetros Funciones sin retorno
Video 2. Interrupciones
Hemos visto que un programa se ejecuta secuencialmente, instrucción por instrucción. Incluso habiendo control de flujo (if, else, loops), y funciones. Interrupciones externas La mayoría de las tarjetas arduino tienen dos pines disponibles para interrupciones externas. Es decir hay dos pines con la capacidad de activar alertas. Normalmente están en el pin 2 y el pin 3. Se distinguen por un numero: int.0 e int.1 Para inicializar una interrupción, se utiliza la función attachInterrup. Esta función establece cuando se activa una alerta y que rutina se ejecuta. Más sobre ISR La rutina de servicio de la interrupción (Interrupt service routine), es la rutina que se ejecuta cuando se activa una interrupción.
Desactivar una interrupción
Video3. Funciones de interfaz analógica Hemos visto que los micro controladores normalmente tienen entradas y salidas digitales.
Entrada analógica El conversor interno tiene 10 bits ya una referencia de 5V. Esto da una resolución de ~4,9 mV. La conversión demora 100us por lo que la tasa de lectura está limitada a 10 KHz. La referencia de conversor se puede modificar usando la función analogRef().
Funciones de interfaz analógica La plataforma arduino permite implementar fácilmente dos funcionalidades: leer una entrada analógica. Generar una salida pseudo-analógica. Salida analógica
Salida analógica Alternativamente se puede usar la función analogWtrite(), que genera una salida pseudo-analógica a través de una PWM
Cuestionario 4 1. ¿Cuál es el tipo de retorno de la siguiente función?
String 2. ¿Cuál es la función principal de las funciones externas? Activar una alerta en base al estado de un pin 3. ¿Qué hace la función analogRead? Lee el valor de un pin analógico y lo convierte en una variable tipo int. 4. ¿Qué hace la función analogWrite? Genera una salida pseudo-analogica por medio de una PWM 5. ¿Qué hace la función attachInterrupt? Establece ante que evento se activa una alerta y que rutina se ejecuta.
Semana 3 Video 1. Circuitos, malas nodos y tierras Abriendo un circuito eléctrico
Acortando el circuito eléctrico
La complejidad en su máxima expresión: circuitos integrados o chips
Analogía entre circuitos eléctricos y circuitos hidráulicos
Análisis de circuitos Existen técnicas matemáticas para analizar o resolver circuitos eléctricos. ¿Qué es resolver un circuito eléctrico? Antes debemos aprender jerga circuital: ramas, mallas, nodos, tierra. ¿Qué es una malla? Una malla independiente es cualquier camino cerrado en un circuito, y que no contiene otras mallas.
¿Qué es un nodo? Un nodo es un punto de unión en un circuito en el que convergen los terminales de dos o más elementos circuitales.
Video2. Leyes circuitales ¿Cómo pierden energía los electrones? Los electrones pierden energía al circular por un material.
Ejemplos de mallas, nodos, ramas y tierras
Ley de Ohm Al circular, la corriente calienta el conductor (que resiste al flujo) y produce una caída de potencial. Mientras mayor la corriente mayor el potencial. Mientras mayor la resistencia eléctrica del conductor, mayor el potencial. Podemos cuantificar este fenómeno según la ley de Ohm.
Potencia disipada Conociendo la resistencia y el voltaje o la corriente en ella, es fácil calcular su potencia disipada:
Resistencias en circuitos eléctricos
Leyes de Kirchhoff Necesitamos dos leyes más para comenzar a analizar circuitos eléctricos: ley de voltajes de Kirchhoff y ley de corrientes de Kirchhoff. Ley de voltaje de Kirchhoff
Un potenciómetro es una resistencia con una parilla que controla un divisor de tensión.
Ley de corrientes de Kirchhoff La suma neta de las corrientes que pasas por el nodo es cero.
Video 3. Método de mallas Las incógnitas son las corrientes de mallas. Se platea una ecuación de ley de voltajes de Kirchhoff por cada corriente desconocida. Si el circuito tiene N mallas, el sistema tiene N ecuaciones. La más importante en el método de mallas es ser consiente con los signos. Se asume una corriente en cierta dirección; los voltajes que aparecen como consecuencia de esa corriente deben ser consistentes con la dirección de la corriente. Video 4. Métodos de nodos Las incógnitas son los voltajes de nodo. Se plantea una ecuación de ley de corrientes de Kirchhoff por cada voltaje desconocido. Uno de los nodos es el nodo de referencia, o tierra, y su voltaje es cero. Por lo tanto si el circuito tiene N nodos el sistema tiene N-1 ecuaciones.
Cuestionario 1 1. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? La tierra de un circuito no es un nodo 2. Si un resistor disipa 1W al verse sometido a un voltaje d 1V, ¿Cuántos watts disipara al verse sometido a un voltaje de 2V? responda con un numero, sin agregar las unidades. 3. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? El tamaño físico de un resistor no se relaciona con la potencia que puede disipar.
4. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? Un potenciómetro no puede ser empleado como un resistor.
Video - Componentes e inductancia Componentes que almacenan energía Hay dos elementos circuitales que almacenan energía: capacitores: almacenan energía en forma de campo eléctrico. Inductores: almacenan energía en forma de campo magnético. Capacitores: La ecuación que modela el comportamiento es un capacitor.
La energía almacenada por un capacitor es
Al instante de conectar un capacitador, parece un cortocircuito; luego de mucho tiempo, parece un circuito abierto. Un capacitor es un circuito abierto a baja frecuencia, y un cortocircuito a alta frecuencia.
Inductores La ecuación que modela el comportamiento de un inductor es La energía almacenada por un inductor es: Al instante de conectar un inductor; parece circuito abierto
Circuitos estáticos y dinámicos Circuitos dinámicos: tienen memoria o condición inicial, produce una respuesta que varía en el tiempo. La respuesta depende de la entrada y de la función de transferencia del circuito. Operadores Para facilitar el análisis de circuitos dinámicos utilizamos el operador
Concepto de impedancia Recordemos la ley de Ohm: V=R.I Existe una forma general de lo anterior: V=Z.I Z se denomina impedancia y puede representar resistencia, capacitancia, inductancia o cualquier combinación. Video 2. Régimen sinusoidal permanente Análisis en el tiempo La respuesta en el tiempo de un circuito es una superposición entre dos partes: Un transigente inicial o respuesta transitoria, que Describe la respuesta del circuito ante un cambio abrupto en sus condiciones: cambio en la entrada o encendido de un switch Decae hasta cero luego de un tiempo suficientemente largo
Régimen sinusoidal permanente Es la respuesta de un circuito: ante un estimulo sinusoidal. Sin considerar la respuesta transiente. Puede ser calculada fácilmente con el concepto de impedancia. Operatoria de números complejos Las partes reales eh imaginarias se suman sin mezclarse:
La magnitud de un número complejo puede ser calculada usando Teorema de Pitágoras.
Video 3. Propuesta trasiente Es la parte de una propuesta de un circuito que decae en el tiempo. En general el cálculo requiere la resolución de una ecuación diferencial. Ejemplo ecuación diferencial para un circuito RC. Circuitos de primer orden Tienen un slo elemento que almacenan energía. La respuesta estacioanria frente a una sinusoide de entrada puede ser calculada reemplazando s=j(t) La respuesta trasiente de un circuito de primer orden ser calculada conociendo: el valor inicial de la respuesta. El valor final de la respuesta. El valor final de la respuesta la constante de tiempo del circuito. Valor inicial Es el primer valor que entrega el circuito frente a un estimulo. Puede ser calculado como la respuesta del circuito cuando: el capacitor es un cortocircuito. El inductor es un circuito abierto. Valor final Es el valor al que tiende el circuito frente a un estimulo. Puede ser calculado como la respuesta del circuito cuando: el capacitor es un circuito abierto. El inductor es un corto circuito. Constante de tiempo Tiene que ver con el tiempo que demora la respuesta de un circuito en ir desde el valor inicial hasta el valor final. En realidad, demora infinito en llegar al valor final; la constante de tiempo es cuanto demora en llegar al 63% del valor final.
Establecimiento de circuito de primer orden
Video 4. Filtros Un filtro eléctrico es un circuito que responde de manera diferente a frecuencias diferentes. Una forma de visualizar el comportamiento de un filtro es mediante un diagrama magnitud Vs frecuencia. Magnitud Vs frecuencia
Magnitud de la respuesta expresada en dB. La magnitud es el modulo de la respuesta compleja. Frecuencia expresada en escala logarítmica este grafico es el mismo que entrega SPICE en análisis. Ac. Permite interpretar si un filtro es pasaaltos, pasabajos pasabanda o rechazabanda. Cuestionario 2 1. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? A altas frecuencias, los capacitores se comportan como circuitos abiertos. 2. ¿Cuál de las siguientes expresiones es falsa? Una resistencia no es un caso particular de impedancia. 3. Un nodo en un circuito con constante de tiempo 1s se descarga desde un valor inicial de 10V, tendiendo asintóticamente a 0V. 4. ¿Cuál de las siguientes alternativas se acerca mas al voltaje del nodo a los 5s de iniciada la descarga? 67mV Video 1. Fuentes dependientes Son fuentes cuya variable de salida es una función de otra variable del circuito. Existen en esencia 4 tipos: Fuentes de voltaje controlado por voltaje (VCVS). Fuente de corriente controlada por corriente (CCCS). Fuente de voltaje controlada poro corriente (CCVS). Transresistencia. Fuente de corriente controlada por voltaje (VCCS). Transconductancia.
Impedancias de entrada en fuentes dependientes Una fuente controlada por voltaje que “sensar” o medir el voltaje de control. Esa medición no debe tomar energía del voltaje de control. Por lo tanto, la medición debe ser realizada mediante una resistencia infinita de manera que V2/R=0. Una fuente controlada por corriente tiene que sensar la corriente de control. Esa medición no debe tomar energía de la corriente de control. Por lo tanto, la medición debe ser realizada mediante una resistencia nula de manera que I2R=0 Resumen de fuentes dependientes
Amplificadores Son elementos circuitales que amplifican, es decir, que aumentan el valor de una variable (V o I). Tiene una entrada y una salida, y provocan que la salida sea parecida a la entrada, pero amplificada por una constante (en V/V, A/A, V/A O A/V/). Tienen impedancia de entrada e impedancia de salida ¡Entonces son como un caso de fuentes dependientes! Tipos de amplificadores Amplificador lineal, amplificador no lineal, amplificador de banda angosta o sintonizada, amplificador de RF, amplificador de audio, buffer, amplificador operacional. Video 3. Amplificadores operacionales ¿Qué son los amplificadores operacionales (opamp)? Son amplificadores de uso general. Constituyen el bloque fundamental en circuitos integrados analógicos. Requieren realimentación negativa.
Terminales de un opamp
Opamp ideal
Amplificadores operacionales con realimentación negativa En general, la realimentación negativa consiste en que una fracción de la salida aparece en la entrada inversora. El efecto es el concepto de cortocircuito virtual: el opamp hará todo lo posible por mantener el cortocircuito virtual.
Video 4. Circuitos básicos con amplificadores operacionales Hemos visto que el opamp es un circuito muy flexible, que sirve para muchos propósitos. En esta clase veremos varios ejemplos, diferentes configuraciones. Amplificador inversor
Amplificador no inversor
Sumador de voltajes
El diodo Dispositivos semiconductores de dos terminales. Solo permite el paso de corriente en una dirección.
Modelo un poco más realista, polarización directa En la práctica, los diodos en polarización directa presentan una caída de voltaje que podemos aproximar a una constante. En diodos de silicio, considere 0,7V.
LEDs –diodos emisores de luz Hay diodos que emiten luz cuando están polarizados de manera directa
¿Cómo enciende un LED? Típicamente, con unos 10mA de corriente. Ejemplo de diseño: determine R.
Cuestionario 3 1. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? Una VCCS ideal tiene impedancia de salida nula. 2. ¿cuál de las siguientes expresiones es falsa? Los amplificadores no requieren alimentación 3. Determine la ganancia de voltaje de un amplificador operacional configurado como amplificador inversor, con resistencia en serie Rs= 1K y resistencia de realimentación Rf= 6.8K -6.8 4. ¿cuál de las siguientes no corresponden a una característica de un amplificador operacional ideal? Impedancia de salida infinita Video 1.LED RGB Tres LEDs independientes en un solo encapsulado: rojo, verde y azul.
Control independiente permite producir diferentes colores.
Video 2. Transistores MOS MOSFET-Transistor de efecto de campo es un dispositivo de tres terminales: compuerta (gate, G), Dren (drain, D), fuente (sourse, S). la correinte entre D y S dependen del voltaje entre G y S.
CMOS: MOS complementario
Video 3. Transistores BJT BJT –transistor bipolar de unión Es un dispositivo de tres terminales: base, colector, emisor. La corriente entre C y E dependen del voltaje entre B y E.
Modelo del BJT
Amplificador del emisor común con degeneración de emisor
Amplificador de colector común
Cuestionario 4 1. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? La caída de voltaje de un diodo de silicio en conducción es 0V.
2. Suponga que un LED presenta una caída de tensión en conducción de 1.5V. si se alimenta con 5V es necesario conectarlo en serie con un resistor para limitar su corriente. ¿Cuál de los valores de resistencia a continuación en (Ohm) es el más adecuado para limitar su corriente aproximadamente 10Ma? 330 3. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? Los MOSFET están prácticamente obsoletos. 4. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa? En un BJT operando en región de saturación, el valor de beta forzada es igual a beta del transistor. 5. ¿Cuál del as siguientes afrimaciones es falsa? Los relees son ideales para conmutar cargas circuitales (ej:motor) a alta frecuencia.
SEMANA 4 Sección 1 CONTENIDOS DE LA LECCION
¿Cómo funcionan los sensores? La variedad de sensores existentes es tan amplia que no permite responder a esta pregunta de manera precisa
En general, los sensores usan algún transductor para que una variable eléctrica dependa de otra variable física Ejemplos Termómetro electrónico Sensor de presión Sensor infrarrojo Sensor de fuerza Sensor ultrasónico Sensor de aceleración SALIDA DE LOS TRANSDUCTORES La salida de los transductores suele ser : Una señal analógica generalmente pequeña Limitada al voltaje de salida Limitado en ancho de banda Ruidosa En general se utilizan circuitos de acondicionamiento de señales para conectarlos a un micro controlador Amplificadores Filtros ¿Cómo conectar un sensor a un Arduino? Diferentes sensores presentan diferente interfaz Sensor con salida analógica Sensores con salida digital de 1 bit o paralela Sensores con salida codificada según estándar Por lo tanto, hay tres formas de conexión de Arduino: A través de un pin de entrada analógica O a través de un pin o bus digital Entrada digital Conexión analógica Empleamos un pin de entrada analógica en el Arduino
Debemos de asegurarnos de la compatibilidad de voltajes en impedancias en la conexión Puede requerir de acondicionamiento de señal
Ejemplo básico: sensor infrarrojo Hay que armarlo en base a componentes electrónicos discretos
Conexión digital directa Muchos sensores presentan salida digital codificada en un solo bit : Ejemplos Deteccion de obstáculo Detección de IR Enconder Detección de eventos Ejemplo: botón
Detector IR
Sensor
Actuadores Son dispositivos controlados electrónicamente y que producen una acción en el mundo físico Calentamiento o enfriamiento de un material Fuerza mecánica o torque Flujo de aire o aumento de presión Emisión de fotones e incluso sonidos Como comandar un actuador La entrada de los actuadores suelen ser :
Una señal analógica Con especificaciones claras de excursión y ancho de banda En general se utilizan circuitos de amplificación para manejarlos con un Arduino Como conectar un actuador a un arduino Por lo tanto hay tres formas de conexión de arduino : Analógica : a través de un DAC Digital a través de un pin o bus digital Digital – estándar SPI , L 2C,UART O PPM
Conexión digital Muchos actuadores pueden ser encedidos y apagados solamente ejemplos : Calefactor Luz Led Motor En esos casos ,conectamos una salida a digital arduino mediante: Rele transistor Resistencia Puente H mediante transistores Generalmente es posible controlar intensidad mediante PWM
Ejemplo básico: actuador de baja potencia
Conexión analógica Conectamos el Arduino a un DAC (o usamos PWM)
Debemos asegurarnos de la compatibilidad de voltajes e impedancias en la conexiĂłn Puede requerir acondicionamiento de seĂąal
Actuadores analĂłgicos de baja potencia
Bruzzer
Funciones de tone y Notone
Acondicionamiento para parlante
Arduino comandado por aplausos
Cuestionario ¿Cuales de las siguientes afirmaciones son correctas? Los sensores de salida analógica normalmente requieren acondicionamiento Los sensores de salida analógica normalmente se pueden leer con un pin digital Los sensores de salida digital normalmente requieren amplificación Algunos sensores de salida digital pueden ser leídos con un solo pin Un botón es un ejemplo de (selecciona la respuesta correcta): Sensor de salida analógica Protocolo de comunicación serial Actuador digital Sensor de salida digital de en solo bit
Al leer un sensor analógico, la etapa de acondicionamiento normalmente: Amplificar y filtra la señal del sensor Entrega potencia externa al sensor Convierte señales analógicas a digitales Recibe y transmite datos digitales Al utilizar un actuador, la etapa de acondicionamiento normalmente
Convierte señales analógicas a digitales Amplifica y filtra la señal del sensor Recibe y transmite datos digitales Entrega potencia externa al actuador ¿Por qué es recomendable utilizar alimentación externa al conectar un parlante al microcontrolador? Porque el microcontrolador no puede entregar suficiente potencia Porque el microcontrolador no puede generar tonos de frecuencia arbitraria Porque las señales del microcontrolador son analógicas, y el parlante requiere señales digitales Porque las señales del microcontrolador son digitales, y el parlante requiere señales analógicas
Sección 2. Estándares de comunicación Sensores y actuadores digitales Muchos sensores y actuadores de uso masivo tienen comunicación digital Esta puede emplear algún estándar de la industria Lo cual facilita su conexión Un microcontrolador interno sirve de calibración digital
Conexión digital – estándar Los periféricos digitales cuentan con interfaz codificada de acuerdo a estándar Estos deberían ser conectados a las entradas de arduino que son capaces de pocesar ese estándar Posible esquema maestro , esclavo y enable
UART/USART- Universal Formato y tasa configurable Dúplex Modo asíncrono no requiere reloj
SPI – SERIAL PERIPHERAL INTERFACE Full dúplex Admite esquema maestro – esclavo Circuitos push pull Requiere 3 pines y uno pin adicional por cada periférico
12C(TWI)SYNCHRONOUS serial protocol Solo dos pines: reloj (scl ) y datos (sda) Direccionamiento de 7 o 10 bits Dos roles Maestro: genera reloj e inicia comunicación con esclavos
Comunicaciรณn serial Como enviar datos al computador
El puerto serial recibe datos por RX y los almacena en un buffer . Existen muchas funciones de arduino que nos perimiten leer el buffer y controla la comunicaciรณn
Biblioteca software serial Las tarjetas arduino tienen un puerto serial implementado en los pines digitales 0 y 1 La blibioteca softaware serial permite implmentar puertos seriales entre otros pines Utilizan las mismas funciones Muy utiles si necesitamos mas de un puerto serial
Ejemplo : Modulo bluetooth El modulo HC- 06 permite establecer una comunicaciรณn bluetooth utilizando solamente el puerto serial . No nos preocupamos de como funciona la comunicaciรณn bluetooth solo la usamos a traves de comandos secillos
Ejemplo modulo bluetooth Necesitamos realizar tres pasos : Configuracion de dispositivo bluetooth -
Cambiar nombre y tasa de datos de la comunicaciรณn serial Conexiรณn de dispositivo bluetooth
-
Por ejemplo un celular Transmision de datos -caracteres simples - Palabras delimitadas por algun carรกcter especial
CUESTIONARIO ¿Qué hace la función Serial.available? Entrega el número de bytes disponibles en el buffer serial ¿Qué hace la función Serial.readString? Lee todo el buffer serial como un String ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son ciertas sobre la biblioteca Software Serial? Utiliza las mismas funciones que la comunicación serial nativa de Arduino Permite implementar una comunicación serial en pines arbitrarios del microcontrolador Solo se puede usar si la comunicación serial nativa de Arduino está ocupada
MOTOR DC Que es un motor DC de imanes permanentes? Es un dispositivo electromecánico Estator tiene imanes permanentes Rotor tiene electroimanes Solo un electroimán es energizado
Como funciona un motor DC con escobillas? Imanes permanentes en el estator mantienen compa magnético Un electroimán en el rotor mueve el eje para alinear compo con el estator Al moverse el eje , un nuevo electroimán es conectado ¿Cómo accionar un motor?
Ejemplo de motor DC
Que es un servo RC? Es un dispositivo electromecánico cuyo eje gira para establecerse en el angulo indicado para un comando eléctrico Partes: Motor Reducción Electrónica de control Requiere alimentación de 4.8 V – 6 V Es comandado por una señal PPM
Diagrama de bloques de un servo
Biblioteca servo
Modificacion de servo Usando un servo como un motor
Modificando un servo
Cuestionario
Selecciona la frase que complete la frase: "Un puente H..." Permite comandar un motor DC para su encendido en cualquier sentido de giro. Selecciona la frase que termine la siguiente frase: "Un servo de radiocontrol..." Posee internamente un circuito electrónico de control para establecer su posición en función del comando de entrada. De acuerdo a lo visto en los videos, la modificación de un servo de radiocontrol: Tiene como propósito permitir un giro continuo en 360 grados.
Diseño top down Diseño mecatronico
Incluye tres partes : Diseño mecanico Diseño eléctrico Software Todos llevamos a cabo en paralelo Especificaciones Usos extensivos de CAD Simulacion ahorran
Esquema de diseño top- down
Diseño mecanico
Ticamente CAD diseño mecanico Podemos fabricar a mano o mediante CNC Puede involucrar impresión de piezas en 3D
Diseño electronico Definimos bloques : controlador , sensores , actuadores de interfaz Diseñamos cada bloque por separado y luego conectamos según planificado Consideraciones que le permitan “crecer” por software
Implementacion electronica Tecnologias Ptrotoboard PCB estandar PCB diseñada a mano Emsablado Soldadura manual Horno Programacion software Muchas iteraciones
Uso extensivo de bibliotecas Creadas por usuarios como ud. Implementan funciones tipicas Depuracion de hadware
Diagramas de bloques
Prototipo mecánico Diseño mediante CAD Uso de cad facilita diseño No es necesario coustruirlo para saber que va a funcionar Ejemplos de software Google sketchup Autodesk inventor Autodesk autocad Solidworks
Fabricaciรณn Puede ser a mano O usando maquina CNC O arrendado un espacio con maquina CNC
Resultado
Ensamblando el modelo
Ejemplo de travis
Cuestionario Identifique los sensores del robot. Detectores de distancia. Módulo Bluetooth. Servos. ¿Por qué el riel de alimentación de los servos del robot es distinto del riel para el Arduino y los sensores? Porque los servos requieren mucha corriente para su operación y el riel de salida del Arduino no es capaz de alimentarlos. Identifique los actuadores del robot. Buzzer. Servos