Interiores

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CUESTIONES
Control y robótica
1.
Actualmente disponemos
de máquinas o dispositivos
que nos facilitan
enormemente la vida. Solo
con apretar un botón,
conseguimos que realicen las
tareas que queremos:
mantener una temperatura
agradable en una habitación,
despertarnos, lavar la ropa…
Pon algún ejemplo más.
2. Estas máquinas son muy
complejas, pero existen otras
aún más avanzadas: los
robots. ¿En qué crees que se
distinguen de las anteriores?
3. ¿Cómo sabe una lavadora
en qué momento tiene que
descargar agua, añadir jabón o
hacer girar el tambor?
4. ¿Qué significa programar
un ordenador?
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Automatismos
Un logro importante del proceso tecnológico es el desarrollo de sistemas
que funcionan prácticamente sin intervención humana. De esta forma se ha
conseguido que tareas repetitivas o que requieren mucho esfuerzo sean realizadas por máquinas. Piensa, por ejemplo, en un ascensor. Basta con pulsar
un botón para que traslade al usuario a cualquier piso.
Reflexiona
Fíjate en las siguientes figuras:
a) ¿En cuál de los dos casos se realiza menos esfuerzo?
b) ¿Dónde se ha utilizado un mecanismo? ¿De qué
mecanismo se trata?
c) ¿Se te ocurre algún modo de automatizar estas
tareas?
Cuando las tareas requieren el desplazamiento o la elevación de cargas, o
un movimiento continuo, el uso de mecanismos facilita su realización.
Combinando elementos eléctricos y mecánicos, es posible diseñar un sistema automático que funcione sin necesidad de realizar ningún esfuerzo:
polea
eje A
piñón-cremallera
A
eje B
M
⫹
9V
engranaje
⫺
En este caso, la pila o batería proporciona la energía. Si actuamos sobre el
conmutador doble A, variamos el sentido de giro del motor. El giro del eje
del motor es transformado mediante distintos mecanismos para elevar la
carga.
Realimentación
El principal inconveniente del sistema anterior es
que no tiene en cuenta si la carga ha alcanzado el límite
superior o inferior. Normalmente, en un sistema de
control es preciso conocer el estado de
la salida en cada momento. Esto es lo
que se conoce como realimentación.
Para ello, podemos servirnos de
interruptores de fin de carrera con
objeto de detectar la posición de la
carga y detener el motor si esta ha
llegado abajo o arriba.
Actividades
1 Dibuja el sistema completo de
levantamiento de cargas descrito
en el texto usando dos finales de
carrera y sustituyendo el engranaje
por un sistema tornillo sin fin-corona.
arriba
M
⫹
9V
Explica por qué es más adecuado
usar un tornillo sin fin-corona en el
sistema de levantamiento de cargas.
2
⫺
abajo
Control y robótica
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1.1. Sistemas de control
Reflexiona
Indica qué elementos se usan para controlar la temperatura en la habitación de
la figura y qué función realiza cada uno de ellos.
sensor
controlador
actuador
El dibujo anterior representa un sistema automático de control de temperatura. La única intervención humana que necesita es la fijación de la
temperatura deseada.
En general, todos los sistemas automáticos tienen una estructura similar:
un sensor, un controlador y un actuador. En nuestro caso el sistema lo componen tres elementos principales:
쮿 Un sensor que mide la temperatura ambiente. Los sensores son
elementos que captan información del entorno y se usan para medir
magnitudes f ísicas: velocidad, temperatura, humedad del ambiente,
presión, intensidad de la luz, etcétera.
쮿 Un circuito controlador que, en función de la información proporcionada por el sensor, activa o no el radiador. En los sistemas automáticos
el controlador puede ser desde un sencillo circuito eléctrico hasta un
ordenador.
쮿 Un elemento actuador encargado de llevar a cabo la acción para la que
se ha diseñado el sistema automático. En nuestro caso sería el radiador.
Habitualmente son motores, lámparas, cilindros o válvulas neumáticas,
etc., los que desempeñan esta función.
El sistema anterior puede representarse mediante el siguiente diagrama
de bloques:
Actividades
Indica cuál es el sensor y el actuador en el siguiente sistema automático.
3
entrada
proceso
salida
entrada
sensor
controlador
actuador
proceso
a controlar
medidor
de temperatura
circuito
electrónico
radiador
temperatura de
la habitación
salida
Un sistema de control es un conjunto de elementos que, interconectados,
permiten automatizar una máquina o un proceso.
쮿 La entrada (E) es la información que recibe el sistema: en nuestro
ejemplo, la temperatura de la habitación.
쮿 La salida (S) es la respuesta del sistema a esa información: el encendido
o apagado del radiador.
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Tipos de sistemas de control
No todos los sistemas automáticos realizan su función correctamente.
Observa lo que ocurre con este sistema de riego automático que ha sido programado para regar por las tardes.
Esté seca o húmeda, la planta se riega. Un sistema como este, que se activa
sin tener en cuenta el estado de la salida, recibe el nombre de sistema de
control en lazo abierto:
controlador
actuador
proceso
E
S
humedad
de la tierra
reloj
programador
humedad
Se utilizan sistemas de control en lazo abierto, por ejemplo, en una tostadora de pan, un reloj, un semáforo, etcétera.
Para solucionar el problema anterior se debe diseñar un sistema cuyo
funcionamiento dependa de la salida en cada momento, es decir, un sistema
que mida continuamente el grado de humedad de la planta y ponga en marcha el riego solo cuando sea necesario. En estos casos, se dice que existe una
realimentación de la salida a la entrada:
comparador
controlador
actuador
proceso
E
S
humedad
de la tierra
reloj
programador
humedad
informa al sistema
del estado de
salida
sensor
humedad
realimentación
Cuando la salida se compara con la entrada con el fin de corregir posibles errores debidos a perturbaciones que afecten al sistema, se habla de un
sistema de control en lazo cerrado.
Otros sistemas de control en lazo cerrado son el mecanismo de llenado
de una cisterna de agua, los sistemas automáticos de iluminación, etcétera.
Actividades
Pon un ejemplo de un sistema de control en lazo cerrado y dibuja el correspondiente diagrama de bloques.
4
5
¿Qué representa el siguiente esquema?
E
dirección
a seguir
comparador
controlador
cerebro
actuador
manos
proceso
hoja con
mi nombre
S
dirección
real
ojos
realimentación
Las escaleras mecánicas, ¿constituyen un sistema de control en lazo cerrado
o en lazo abierto? Razona tu respuesta.
6
Control y robótica
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2
Sensores
En este apartado analizaremos los sensores que se usan habitualmente en
los sistemas de control.
2.1. Sensores de temperatura
Reflexiona
Observa estas imágenes y contesta:
a) ¿Sabrías indicar varios sistemas de control en los que
sea necesario medir la temperatura?
b) ¿Usan todos el mismo tipo
de sensor?
Los sensores de temperatura se basan en diferentes fenómenos f ísicos
que dependen de la variación de temperatura: la dilatación de los metales, el
cambio de la resistencia eléctrica o la emisión de radiación infrarroja.
Sensores basados en la dilatación
Los cuerpos experimentan un aumento de tamaño con la temperatura.
Este fenómeno se ha utilizado tradicionalmente para medir la temperatura
mediante termómetros de mercurio.
Termómetro de mercurio.
También se basan en este hecho las láminas bimetálicas utilizadas para
controlar la temperatura de las planchas y los secadores de pelo. El mecanismo consiste en dos láminas metálicas unidas entre sí. A temperatura
ambiente ambas tienen la misma longitud, pero cuando se calientan (por
ejemplo, por el paso de aire caliente) cada una se dilata de distinta manera y
el conjunto se dobla: esta deformación se aprovecha para impedir el paso de
la corriente y desconectar el aparato.
pulverizador
regulador
termostato
depósito
de agua
resistencia
indicador
contactos
resistencia
salida del vapor
lámina
bimetálica
caliente
Esquemas de una plancha y de la lámina bimetálica.
Las láminas bimetálicas también se emplean en tostadoras, estufas…
Actividades
Al dispositivo que permite regular la temperatura de funcionamiento de la
plancha se le denomina termostato. Cita otros aparatos que lo contengan.
7
Indica qué ocurriría en cada uno de los aparatos mencionados anteriormente
si el termostato dejara de funcionar.
8
122 UNIDAD 5
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Sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica
쮿 Termorresistencias o RTD (detectores de temperatura resistivos).
Se basan en la variación de resistencia que experimentan los metales
en función de la temperatura. Para obtener este tipo de sensores
se enrolla un hilo muy fino de platino o níquel en un aislante. Las RTD
de platino se usan para medir temperaturas de hasta 600 °C.
쮿 Termistores. Se basan en la variación de la resistencia de un semiconductor en función de la temperatura. La principal ventaja respecto a
las RTD es que responden más rápidamente a los cambios de temperatura. Pueden ser de dos tipos:
a) Termistores PTC (coeficiente
de temperatura positivo). Su
resistencia aumenta con la
temperatura.
b) Termistores NTC (coeficiente de temperatura negativo).
Su resistencia disminuye al
aumentar la temperatura.
Termistores.
쮿 Termopares. Están formados por dos metales diferentes. En el punto
de unión de los mismos se genera un voltaje proporcional a la temperatura que deseamos medir.
níquel-cromo
300 °C
12,2 mV
aluminio-cromo
Termopar que produce 12,2 mV a 300 °C.
Termómetro basado en un termopar.
Se usan cuando es preciso medir un amplio margen de temperaturas
(procesos industriales, obtención de acero, investigación médica, etc.).
Así, por ejemplo, con un termopar como el de la figura podemos
medir temperaturas entre ⫺200 °C y 1 200 °C.
Sensores sensibles a la radiación infrarroja
¿Sabes qué tienen en común las cámaras de visión nocturna, los sistemas
detectores de incendios y los detectores de presencia que permiten abrir
automáticamente una puerta?
Dado que todos los cuerpos emiten una radiación infrarroja proporcional
a su temperatura, mediante sensores de infrarrojos se puede medir su
temperatura sin estar en contacto directo con estos cuerpos.
Actividades
Realiza un cuadro resumen de los sensores de temperatura que hemos estudiado.
9
Termómetro clínico de infrarrojos.
En medicina se usan termómetros que
miden la temperatura sin que exista
contacto directo con el cuerpo.
10 Los sensores de movimiento se basan en la detección
de los cambios de radiación infrarroja de los objetos próximos a ellos. ¿Para qué crees que sirve la lente de plástico
que llevan encima?
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2.2. Sensores de posición
Sensor tipo flotador
Para detectar el nivel de líquidos
se usan habitualmente sensores
tipo flotador como el utilizado en
el sistema de llenado automático
de la cisterna del inodoro.
tirador
boca de llenado
guía
deslizante
El empleo de este tipo de sensores en un sistema automático permite
conocer la posición de un objeto. Por ejemplo, en el caso del ascensor, si ya
ha llegado al piso seleccionado o, en un sistema de alarma, si alguien ha
abierto una puerta.
Interruptores mecánicos
Se produce la detección del objeto por contacto de este con el interruptor. Los más usados son los interruptores de final de carrera, que incorporan
una lámina sobre la que choca el objeto y que activa el interruptor.
tapón
boya
cilindro
Interruptor de final de carrera.
émbolo
tapón
salida
de agua
Interruptores de proximidad magnéticos
Están formados por dos láminas metálicas imantadas que modifican su
posición cuando aproximamos un imán.
Interruptor de proximidad magnético.
Se usan para determinar la posición de objetos, por ejemplo en la apertura
de puertas y ventanas.
Sensores de posición ópticos
Reflexiona
Observa esta ilustración y explica cómo puede funcionar el sistema de puertas
automáticas en un ascensor.
emisor
receptor
Sistema de alarma mediante interruptor
de proximidad magnético.
La detección de objetos se realiza emitiendo un rayo de luz y comprobando si alcanza al receptor. Como emisor suele utilizarse un diodo LED de
radiación infrarroja, para evitar interferencias con la luz visible. La intensidad luminosa puede registrarse en el receptor mediante resistencias LDR,
fotodiodos o fototransistores:
쮿 Resistencias LDR. Modifican su valor en función de la intensidad
luminosa que incide sobre ellas.
LDR.
124 UNIDAD 5
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쮿 Fotodiodos y fototransistores. Se activan mediante la luz.
Ratón óptico
Fotodiodos.
Fototransistor y símbolo del mismo.
Se utilizan en apertura de puertas, sistemas de alarma, lectores de código
de barras, periféricos de ordenador, etcétera.
Los ratones ópticos analizan, mediante un sensor óptico y un procesador, la luz que emite un LED.
Otros dispositivos emplean una
rueda con ranuras (llamada encorder) para determinar su posición.
Otros sensores de posición
Dependiendo de las características del objeto que hay que detectar, se
emplean otros dispositivos. Por ejemplo, la detección de objetos metálicos
puede basarse en las propiedades magnéticas de estos; así, en un sistema
antihurto de un supermercado, la presencia de un determinado material
modifica la señal que llega al receptor:
transmisor
diodo receptor
LED infrarrojo
Interior de un ratón óptico.
receptor
Para detectar la presencia de otros materiales, como madera, papel o
líquidos, se pueden emplear detectores capacitivos, formados por un
condensador cuya capacidad se altera en presencia de esos materiales. Estos
dispositivos se usan en sistemas de llenado automático de botellas, corte de piezas de madera, empaquetado de folios, etcétera. Asimismo, muchas pantallas
táctiles basan su funcionamiento en detectores capacitivos.
Actividades
La siguiente figura representa un sensor de posición construido a partir de
un potenciómetro. Explica cómo podemos conocer la posición del objeto.
11
objeto
lámina deslizante
obstáculo
resistencia
12 ¿Qué representa el dibujo del margen?
13 Investiga en Internet qué tipo de sensor utiliza un robot capaz de seguir una
línea marcada en el suelo.
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2.3. Sensores basados en la variación
de fuerza y presión
Galgas extensiométricas
presión de referencia
presión
de entrada
Sensor de presión mediante galga
extensiométrica.
¿Te has preguntado alguna vez cómo
una báscula es capaz de determinar el
peso de una persona?
Las básculas utilizan unos sensores
denominados galgas extensiométricas.
Estas están formadas por una fina lámina
metálica depositada sobre un material
flexible. Cuando se deforma, se produce
una variación de la resistencia de la misma (debido al cambio de forma y a la
presión) proporcional a la deformación
producida por el peso del objeto.
Estos dispositivos se emplean en básculas, para controlar deformaciones (en
edificios, puentes, etc.), para medir la
presión, etcétera.
Otras formas de medir la presión
Existen otras formas de medir la presión. Un modelo de sensor muy usado
(por ejemplo, para medir la presión de los neumáticos) es el tipo Bourdon,
en cuyo interior hay un tubo flexible que modifica su forma en función de la
presión de entrada.
tubo
deformado
aguja
indicadora
estado
original
tubo
Bourdon
P
La medida de la presión arterial es una
práctica habitual en medicina. Para ello,
se emplea normalmente un aparato
denominado esfigmomanómetro.
Esquema de un sensor de presión de tipo
Bourdon.
Para medir la presión de los neumáticos
se utiliza un sensor de presión tipo Bourdon.
Actividades
14 ¿Qué representan los siguientes dibujos? ¿Qué ventajas tiene este tipo de
sensores?
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2.4. Otros sensores
Humedad
Están formados por dos
láminas metálicas muy
próximas cuya resistencia o
capacidad varía con la
humedad.
Sensor de humo. Está formado por un
circuito electrónico capaz de detectar
concentraciones anómalas de gases,
como el monóxido de carbono.
Gases o humos
Capaces de detectar la
presencia de gases. Por
ejemplo, el sensor de
monóxido de carbono de la
figura basa su
funcionamiento en la
modificación
de la resistencia eléctrica en
presencia de este gas.
Sonido
Te i n t e r e s a s a b e r
diafragma
Se basan en la modificación
de la capacidad a causa del
movimiento de un
diafragma producido por las
ondas de sonido, o en el
efecto piezoeléctrico:
variación de la resistencia
eléctrica con la presión.
쮿 El micrófono electret contiene un
transistor para ampliar la señal de sonido.
Micrófono electret y símbolo del mismo.
Parámetros biológicos (glucosa, oxígeno en sangre, imágenes de huesos…)
Se usan películas sensibles a
los rayos X, ondas luminosas
que varían sus parámetros
en función de la
composición de una
sustancia, biosensores
(algas, bacterias), etcétera.
쮿 El sensor de ultrasonido (sonido
con una frecuencia superior a la audible por el oído humano) se utiliza para detectar objetos mediante la emisión y recepción de ondas sonoras.
Sensor de ultrasonido.
Actividades
15 Obtén información sobre otros sensores. Para ello, puedes utilizar libros o
Internet.
쮿 Con los datos obtenidos, elabora en tu cuaderno una tabla similar a la mostrada
en el texto.
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3
Control electromecánico
Los sistemas electromecánicos se basan en la activación de dispositivos
mediante el desplazamiento de piezas móviles. Estudiaremos el uso de la
leva, del final de carrera y del relé en este tipo de sistemas.
3.1. Leva
Reflexiona
Observa el siguiente sistema de control de un semáforo de peatones:
bote
levas
contactos chapas
alambre
Cada uno de los salientes que al girar accionan los contactos recibe el
nombre de leva. Mediante estos elementos podemos controlar el momento
y el tiempo de activación de cada bombilla.
3.2. Interruptor de final de carrera
El interruptor de final de carrera se puede usar como controlador en
sistemas automáticos para activar o desactivar otros dispositivos. En el
siguiente ejemplo se utiliza para controlar el nivel de líquido en un depósito
de agua:
fin de
carrera
flotador
bomba de agua
Actividades
⫹
1,5 V
1,5 V
⫺
16 El dibujo de la derecha representa un
reposo, R
M
⫹
1,5 V
1,5 V
⫺
128 UNIDAD 5
común, C
activado, A
robot controlado mediante un interruptor de final de carrera.
C A R
쮿 Explica cómo funciona el sistema de
control, cuyo esquema eléctrico aparece representado en el margen.
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3.3. Relé
Como ya sabes, un relé está formado por una bobina y una lámina metálica móvil unida a unos contactos.
Cuando hacemos pasar una corriente eléctrica por la bobina, esta se comporta como un imán y atrae la lámina, que a su vez cambia la posición de los
contactos.
bobina
contactos armadura
Aplicaciones del relé al control de sistemas
Cambio del sentido de giro de un motor
Reflexiona
Observa el circuito de apertura y cierre de la puerta de un garaje que aparece a
continuación:
3V
P
6V
electroimán
El relé, símbolo y funcionamiento.
bobina
de relé
M
a
쮿 ¿Cómo funciona?
b
El pulsador P debe estar colocado en el suelo a la entrada del garaje. Los
dos finales de carrera deben estar colocados en cada uno de los extremos de
la puerta.
Si la puerta está cerrada, el final de carrera b está accionado y, por tanto,
abierto: el motor estará parado. Cuando accionamos el pulsador, se activa el
relé, el conmutador doble cambia de posición y el motor comienza a girar,
hasta que la puerta haga contacto con el final de carrera a.
Si dejamos de accionar el pulsador, el relé se desactiva y el conmutador
doble vuelve a su posición original, con lo que el motor cambia su sentido de
giro; se detendrá cuando la puerta se cierre completamente, momento en
que se acciona el final de carrera b.
Actividades
El circuito inferior representa un
sistema automático de riego. Contesta las siguientes preguntas:
17
a) Indica el nombre de todos los
componentes necesarios para realizar el montaje.
b) Explica su funcionamiento.
Activación de un relé mediante un sensor
En este caso necesitamos un transistor para proporcionar la corriente
suficiente de activación del relé.
c) ¿Qué elemento habría que añadir?
⫹12 V
6V
1 kΩ
salida
LDR
relé
R1
10 k⍀
D1
1N 4001
10 kΩ
Q1
2N 3904
Cuando incide luz sobre la LDR, su resistencia disminuye y permite que
circule corriente por la base del transistor, con lo que tanto este como el relé
se activan.
Q2
2N 3904
tierra
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4
Control electrónico
El control electrónico se basa en el empleo de transistores y de circuitos
integrados como controladores.
4.1. Control mediante transistores
El transistor recibe normalmente la pequeña señal eléctrica que proporciona el sensor a través de su base y entrega una corriente mucho mayor que
pone en funcionamiento el actuador. En el ejemplo siguiente, el motor se
pone en marcha cuando la temperatura sobrepasa cierto valor:
bombilla
presión
⫹
LED
luz
⫺
M
40 NTC
20 ⫺t°
0
4,5 V ⫺20
°C
12,7 k⍀
2,2 k⍀
10 k⍀
CIRCUITO
DE CONTROL
BC548B
BC548B
Este mismo circuito puede utilizarse con otro tipo de sensores (LDR,
finales de carrera…) y actuadores (lámparas, timbres…)
timbre
calor
Actividades
humedad
motor
El circuito de control recibe como entrada
la señal eléctrica que proporciona un
sensor y pone en marcha un actuador
en función del valor de dicha señal.
18 Los siguientes circuitos son especialmente útiles para el control de robots.
Haciendo uso de un simulador, investiga cómo funcionan.
a) Cambio de sentido con retardo.
M
⫹6V
⫹6V
NA
560 ⍀
bobina
de relé
⫹
2 200 ␮F
1k⍀
3V
2N2222
100 ⍀
b) Cambio de sentido sin relé.
⫹3 V
1 k⍀
⫹3 V
⫺3 V
M
1 k⍀
⫺3 V
130 UNIDAD 5
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4.2. Control mediante comparadores
Para entender este tipo de control, vamos a utilizar el ejemplo siguiente:
control del encendido/apagado de una farola mediante la luz solar. Podemos
representar el sistema de control mediante este diagrama de bloques:
230 V
comparador
fijación
del nivel de
oscuridad
que activará
la lámpara
sensor
circuito
controlador
Este sistema precisa un circuito similar al siguiente:
Sistemas de control
programado
⫹9 V
R2
Utilizan dispositivos que almacenan
en su interior un programa. Estos
dispositivos pueden ser microprocesadores, microcontroladores
(circuitos integrados que incluyen
un microprocesador, una memoria,
entradas y salidas) o autómatas programables, que incorporan, además,
la etapa de potencia.
470 ⍀
LDR
2
P
⫺ 7
6
LM741
3
10 k⍀
⫹
4
R
330 ⍀
R1
R3
10 k⍀
470 ⍀
⫺
El LED se enciende automáticamente cuando no incide luz sobre la LDR.
Se ha utilizado un elemento ya conocido, el comparador LM 741: la patilla 7 se conecta al polo positivo de la pila y la patilla 4 al negativo. El voltaje
en la patilla 6 (salida) es de 9 V si en la patilla 3 (entrada positiva) la tensión
es mayor que en la patilla 2 (entrada negativa); y al contrario, si la tensión en
la entrada negativa es mayor que en la entrada positiva, la salida pasa automáticamente a 0 V.
En otras palabras, si se tapara con la mano la LDR (como si se hiciera de
noche), su resistencia aumentaría mucho, la tensión en la entrada negativa
del comparador disminuiría y la salida alcanzaría los 9 V.
La etapa de potencia
Para el control del encendido/apagado de una farola, se modifica el circuito anterior que enciende un LED y se sustituye por una bombilla que
funciona a 230 V. Para ello, necesitamos un relé: se conecta la bobina al
circuito de 9 V y la lámina metálica al circuito de 230 V.
Como el comparador es incapaz de
activar el relé, se
instala un transistor
que funciona como
interruptor. Cuando
el comparador le
proporciona una pequeña corriente, el
transistor se activa y
acciona el relé.
⫹9 V
R2
470 ⍀
LDR
2
P
10 k⍀
3
D
bobina
de relé
1N4001
⫺ 7
6
LM741
⫹
4
R4
230 V
10 k⍀
BC548B
Op - Amp
R1
R3
10 k⍀
470 ⍀
R5
1 k⍀
⫺
Control y robótica
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5
Control programado
Los sistemas de control programado utilizan dispositivos que puedan
almacenar un programa en su interior. De esta forma, para cambiar su funcionamiento no es necesario alterar ningún circuito, basta con cambiar las
instrucciones del programa.
5.1. Control mediante ordenador
Actualmente, muchos sistemas automáticos se controlan mediante ordenadores. Para controlar procesos mediante ordenador necesitamos una tarjeta controladora y un programa que la controle:
쮿 La tarjeta controladora permite comunicar el ordenador con el robot
que va a ser controlado. Mediante esta tarjeta, el ordenador obtendrá
datos de los distintos sensores del robot y, a su vez, podrá activar sus
motores, luces o cualquier otro actuador.
La controladora se conecta a
un puerto del ordenador
(serie, paralelo o USB) como
si fuera un periférico más.
Contiene varias salidas y
entradas, tanto digitales como
analógicas: las entradas y salidas analógicas admiten múltiples valores; las digitales, sin
embargo, solo pueden tomar
los valores 0 o 1.
Tarjeta controladora. Se observan distintos
conectores para las entradas y salidas
analógicas y digitales, así como el conector
para el puerto serie del ordenador.
controladora
salida
digital
entrada
digital
ordenador
salida
analógica
5V
0V
5V
5V
5V
0
1
1
1
5V
1
1,4 V
5V
1,7 V
entrada
analógica
⫺t°
쮿 El programa o conjunto de instrucciones se almacenan en la memoria del ordenador y determinan el funcionamiento del sistema. Los
programas se realizan mediante lenguajes de programación. Los más
usados con las controladoras son Basic, Visual Basic, C y Logo.
Actividades
19 Busca en Internet información sobre alguna controladora: entradas y salidas,
lenguajes de programación que admite, conexión al ordenador, etcétera.
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5.2. Adquisición de datos
En un sistema de control, el ordenador tiene que captar datos de su entorno. Como sabemos, el ordenador solo puede manejar señales digitales, esto
es, compuestas exclusivamente por ceros y unos. Sin embargo, cualquier
parámetro f ísico (temperatura, luz…) puede tomar infinidad de valores
(7,5 °C, 19 °C, ⫺4 °C). Estas últimas son señales analógicas.
El ordenador necesita por tanto un traductor, es decir, un elemento que
transforme las señales analógicas en digitales:
⫹5 V
entrada
analógica
ADC
PC
salida
El dispositivo que permite al ordenador adquirir datos se conoce como
conversor analógico a digital (ADC), que se caracteriza por el número de
bits que asigna a cada muestra de la señal analógica. Así, un conversor de 3 bits
asignará los valores 000, 001, 010… hasta 111 para el valor máximo de la
señal de entrada.
En el ejemplo siguiente veremos cómo se puede realizar una conversión
de este tipo. Como se ve en el gráfico, la señal analógica presenta valores de
voltaje comprendidos entre 0 V y 5 V:
5,0
111
amplitud (V)
110
101
2,50
señal analógica
ADC
Valor analógico
Salida digital
0 - 0,625 V
000
0,625 V - 1,25 V
001
1,25 V - 1,875 V
010
1,875 V - 2,5 V
011
2,5 V - 3,125 V
100
3,125 V - 3,75 V
101
3,75 V - 4,375 V
110
4,375 V - 5 V
111
Tabla de conversión de un ADC de tres bits.
100
011
1,25
010
señal digital
001
0
0
000
50
100
150
200
tiempo (ms)
Observa que la señal analógica se ha dividido en ocho intervalos iguales.
El valor del intervalo se obtiene dividiendo el valor máximo de la señal analógica (5 V) entre el número de intervalos (8). En nuestro caso:
5
⫽ 0,625 V
8
Actividades
20 Imagina una tarjeta controladora que incorpora un conversor analógico a
digital de 16 bits para señales analógicas que varían entre 0 y 10 V. Calcula el
número de intervalos que utilizará el ADC y el valor del intervalo.
21 Analiza el funcionamiento del circuito del margen. ¿Se puede considerar un
ADC? ¿Por qué?
5V
1 k⍀
0
1 k⍀
0
1 k⍀
0
1 k⍀
1
1 k⍀
1k⍀
5V
⫺t0
NTC
1 k⍀
VS
10 k⍀
1 k⍀
1 k⍀
Control y robótica
133
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Página 134
6
Te i n t e r e s a s a b e r
Para instalar MSWLogo en Linux tenemos que utilizar un programa
emulador que permite ejecutar aplicaciones diseñadas para un sistema
operativo en otro. Wine es uno de los
más usados.
MSWLogo
Para familiarizarnos con los lenguajes de programación, vamos a practicar con uno muy sencillo denominado Logo, que nos permitirá dar órdenes
o instrucciones a una pequeña tortuga situada en el centro de la pantalla,
representada mediante un triángulo. Después aprenderemos a realizar programas para controlar sistemas automáticos y robots.
6.1. Logo, nuestro primer lenguaje de programación
Si ejecutamos MSWLogo, aparecerá una ventana para introducir las
órdenes o instrucciones (Trabajo) y otra donde se verán los resultados
(Pantalla):
Para que la tortuga ejecute nuestras órdenes, debemos pulsar Ejecutar
tras escribirlas.
A continuación figuran algunas de las instrucciones más utilizadas en Logo:
Orden
Forma abreviada
Significado
AVANZA n
AV n
Avanza n pasos
RETROCEDE n
RE n
Retrocede n pasos
GIRADERECHA n
GD n
Gira a la derecha n grados
GIRAIZQUIERDA n
GI n
Gira a la izquierda n grados
ROTULA [frase]
RO [frase]
Escribe una frase
CENTRO
Se dirige al centro
PONCOLORLÁPIZ n
PONCL n
Selecciona un color de lápiz
BORRAPANTALLA
BP
Borra la pantalla
SUBELÁPIZ
SL
No pinta al desplazarse
BAJALÁPIZ
BL
Pinta al desplazarse
Actividades
22 Da las órdenes necesarias a la tortuga para realizar un dibujo como el de la
figura del margen.
134 UNIDAD 5
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Página 135
6.2. Editar Procedimientos
Reflexiona
Te i n t e r e s a s a b e r
¿Cómo se podría realizar el dibujo de la espiga?
Seleccionando Archivo 씰 Guardar
como puedes guardar en un archivo
todos los procedimientos que realices.
AV 15
GD 45
AV 40
RE 40
GI 90
AV 40
RE 40
GD 45
Posteriormente podrás recuperarlos
mediante Archivo 씰 Cargar.
Hemos hecho uso de algunas órdenes de la tabla anterior para dibujar tan
solo una pequeña parte de la espiga.
Para dibujar la espiga completa habría que escribir las órdenes ocho
veces. Afortunadamente existe una forma más sencilla de hacerlo:
REPITE 8 [AV 15 GD 45 AV 40 RE 40 GI 90 AV 40 RE 40 GD 45]
La orden REPITE n [instrucciones] ejecuta n veces un conjunto de instrucciones.
Pero todavía podemos mejorar la solución si creamos un procedimiento
que incluya ese conjunto de instrucciones, de modo que baste con escribir el
nombre del mismo, en nuestro caso, espiga.
Para crear el procedimiento, seleccionamos Archivo 씰 Editar; en Editar
Procedimiento escribimos espiga y en la ventana del Editor copiamos las
órdenes, tal como se indica a continuación:
씰
씰
Terminamos la creación del procedimiento espiga seleccionando
Archivo 씰 Guardar y salir.
Actividades
23 Crea los siguientes procedimientos y comprueba el resultado.
para triángulo
repite 3 [av 100 gd 120]
fin
para cuadrado
repite 4 [av 100 gd 90]
fin
para círculo
repite 360 [av 1 gd 1]
fin
24 Escribe un procedimiento llamado flor que realice la figura del margen.
Control y robótica
135
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Página 136
6.3. Variables
Si observas los siguientes dibujos,
verás que solo se diferencian en el color y
en la altura:
El color y la altura son, por tanto,
variables.
Vamos a realizar el procedimiento del margen, que permite dibujar cualquiera de las espigas anteriores:
Una vez guardado el procedimiento espiga, escribimos «espiga 5 4».
Si la variable :n (altura) toma el valor 5 y la variable :c (color) el valor 4,
aparecerá en la pantalla una espiga de altura 5 y de color 4, o sea, rojo.
6.4. Entrada, proceso y salida
En ocasiones, el ordenador necesita que el usuario introduzca datos para
poder resolver un problema. Estos datos y el resultado obtenido se almacenan en variables. Lo entenderemos mejor analizando el siguiente programa,
que calcula el área de un círculo:
para areacirculo
ES [Teclea el radio]
Entrada
HAZ “r LEEPALABRA
HAZ “area 3.14 * :r * :r
Proceso
ES (FRASE [El área es ] :area) Salida
fin
Te i n t e r e s a s a b e r
En Logo las operaciones matemáticas
básicas se representan mediante ⫹,
⫺, * y /. Puedes probarlas con el siguiente ejemplo:
HAZ “x 8 * 5 ⫺ 6 / 2
쮿 En la pantalla aparece la frase Teclea el radio.
ES :x
쮿 La instrucción HAZ “r LEEPALABRA asigna a la variable :r el valor
tecleado. Si, por ejemplo, hemos escrito 2, :r valdrá 2.
Por otra parte, los decimales se expresan en notación anglosajona, es
decir, llevan puntos en vez de comas.
쮿 HAZ “area 3.14 * :r * :r calcula el área realizando la operación
area ⴝ 3,14 · r · r. En nuestro caso, :area será 3,14 · 2 · 2, es decir,
12,56.
쮿 Por último, aparece el mensaje El área es 12.56 como resultado de la
orden ES (FRASE [El área es ] :area).
Actividades
25 Realiza el siguiente dibujo por medio del procedimiento cuadrado.
26 Explica qué relación tiene el siguiente programa con la figura.
para saludo
ES [¿Cómo te llamas?]
HAZ “nombre LEEPALABRA
REPITE 8[sl gd 45 ro :nombre av 70]
fin
136 UNIDAD 5
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6.5. Ejecución condicional
Imagínate que queremos activar un ventilador cuando se alcance una
determinada temperatura o encender una bombilla a una hora concreta.
¿Cómo podríamos hacerlo?
Para ello necesitamos que las instrucciones se ejecuten si se cumple una
condición. En Logo, la orden que permite hacer esto es la siguiente:
SI condición [instrucción]
Esta orden significa que solo se ejecuta la instrucción o instrucciones si
se cumple la condición. Por ejemplo, el siguiente programa indica si la velocidad a la que se está circulando por una autopista es correcta:
para autopista
HAZ “v azar 150 ;genera un número entre 0 y 150
ES :v
SI y (:v⬎80) (:v⬍120) [ES [Velocidad adecuada]]
SI :v⬎120 [ES [Peligro de accidente]]
fin
Si la velocidad está comprendida entre 80 y 120, aparecerá el mensaje
Velocidad adecuada. Si es mayor de 120, nos advertirá del peligro.
EJEMPLOS PARA INDICAR
LA CONDICIÓN
Condición
(:a ⴝ 7, :b ⴝ 3, :c ⴝ ”SI )
Resultado
:a ⬎ :b
Verdadero
:a ⬍ 0
Falso
(:a ⫹ :b) ⫽ 10
Verdadero
:c ⫽ “NO
Falso
no (:a ⬍ 0)
Verdadero
y (:a ⬎ :b) (:b ⬍ 4)
Verdadero
o (:a ⬎ 8) (:b ⬍ 3)
Falso
o (:c ⫽ “si) (:c ⫽ “SI)
Verdadero
proceso
Algoritmos
Hemos visto que programar consiste en enseñar al ordenador a resolver
problemas. Antes de escribir las instrucciones debemos estudiar la forma de
resolver esos problemas. Observa, por ejemplo, cómo puede diseñarse un
programa para calcular la raíz cuadrada de un número:
inicio
decisión
datos
para raíz
ES (introduce un número)
HAZ "n LEEPALABRA
introducir
número n
inicio
y fin
salida de
pantalla
¿n⬍0?
SI
error: el número
es negativo
fin
SI :n⬍0 [ES [error:
el número es negativo]]
NO
Símbolos para representar los diagramas
de flujo.
a = √n
la raíz es:
a
SI no :n⬍0 [HAZ "a rc :n
ES [la raíz es]
ES :a
]
fin
Esta especie de receta o conjunto de pasos se llama algoritmo: método o
conjunto ordenado de operaciones que permite resolver un problema. Para
representarlo gráficamente hemos usado un diagrama de flujo.
Actividades
27 Realiza el diagrama de flujo de un programa que permita determinar si un
número es par o impar.
Control y robótica
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6.6. Logo y sus aplicaciones
Primitiva
CREAVENTANA
Madre
Nombre de la ventana
de la que depende
la nueva ventana.
Nombre
Nombre que identifica esta
ventana.
Título
Título de la ventana.
Xpos
Posición (x e y) de la
esquina superior izquierda.
Ypos
Anchura
Altura
Órdenes
Logo también permite crear aplicaciones utilizando objetos como ventanas, botones, barras de desplazamiento, etcétera. La orden o instrucción que
permite crear una ventana es la siguiente:
CREAVENTANA “madre “nombre [título] xpos ypos anchura altura [órdenes]
Para añadir botones a la nueva ventana, usa esta orden:
CREABOTON “madre “nombre “etiqueta xpos ypos anchura altura [órdenes]
Dimensiones de la ventana.
Aquí, madre indica el nombre de la ventana que contendrá el botón. Las
órdenes se ejecutarán cada vez que hagamos clic con el ratón.
Órdenes que se ejecutarán
al crear la ventana.
A continuación se muestra un procedimiento para crear una ventana con
cuatro botones que permitan mover la tortuga al hacer clic sobre ellos.
Barras de desplazamiento
Una barra de desplazamiento permite asignar un valor a una variable
arrastrando el ratón sobre aquella. En la ventana del margen, por ejemplo, la
barra permite cambiar el valor de la temperatura.
Para crear una barra de desplazamiento, usaremos la siguiente orden:
CREABARRADESPLAZAMIENTO “madre “nombre xpos ypos anchura altura
[órdenes]
El procedimiento usado para crear la ventana Temperaturas que aparece
en el margen es:
Cada vez que modificamos la posición de la barra de desplazamiento, se
ejecuta el procedimiento leebarra. La instrucción HAZ “x leebarradesplazamiento “barra detecta la posición de la barra de desplazamiento y asigna
el valor a la variable :x.
138 UNIDAD 5
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6.7. Ventanas predefinidas
En Logo existen ventanas que ya están diseñadas. Así, por ejemplo, la
siguiente orden o instrucción produce la ventana que figura en el margen:
SINOBOX [Pregunta][¿Estás seguro?]
Es posible recoger la respuesta en una variable mediante la instrucción:
HAZ “x SINOBOX [Pregunta][¿Estás seguro?]
Otros objetos
En el interior de las ventanas podemos insertar objetos que nos permitan
seleccionar una opción entre varias.
A continuación se muestra la forma de crear botones de radio, cajas de
selección (checkbox) y listas de texto (listbox).
Para leer el estado de los distintos objetos se utilizan las siguientes
órdenes:
Instrucción
Resultado
HAZ “a LEEBOTONRADIO “botón1
:a sería ”falso pues botón1 no está seleccionado
HAZ “b ESTADOCHECKBOX “botón3
:b sería “verdadero
HAZ “c LEESELECCIONLISTBOX “men
:c⫽[Salidas digitales]
Así, por ejemplo, el siguiente procedimiento comprobaría el estado del
botón de la luz verde y, si está seleccionado, encendería una bombilla verde
conectada a la controladora correspondiente:
para luz_verde
HAZ “v LEEBOTONRADIO “botón2
SI :v⫽”verdadero [conecta 1] ; conecta la salida 1
fin
OTRAS VENTANAS
PREDEFINIDAS
MENSAJE
[Título][Texto]
SELECCIONBOX
[Título][Lista de
opciones]
PREGUNTABOX
[Título][Texto]
Actividades
28 Crea una ventana con tres botones de radio que permita
poner rojo, amarillo o verde el círculo de la figura.
29 Investiga para qué sirven las órdenes creaestatico y
actualizaestatico.
Control y robótica
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6.8. Adquisición, almacenamiento
y análisis de datos
Otras órdenes a tener
en cuenta
Un archivo puede abrirse para escribir, para leer o para añadir datos.
Órdenes en Logo
ABREESCRITURA “ARCHIVO
ABRELECTURA “ARCHIVO
ABREAÑADIR “ARCHIVO
En los sistemas de control por ordenador es muy útil almacenar en
archivos los datos procedentes de sensores externos. De esta manera, los
datos permanecen en el disco duro y pueden recuperarse para ser analizados
mediante una hoja de cálculo.
Trabajo con archivos
Para crear un archivo de datos debemos seguir los siguientes pasos:
1. Se abre mediante la orden
ABREESCRITURA “/carpeta/archivo.
2. Indicamos dónde se escribirán
los datos: PONESCRITURA
“/carpeta/archivo.
3. Escribimos lo datos.
4. Cerramos el archivo: CIERRA
“/carpeta/archivo e indicamos que las próximas escrituras serán en la ventana de trabajo: PONESCRITURA [ ].
El programa anterior almacena en el archivo tecno.txt el
resultado de un experimento que
depende del tiempo. Se trata de la
caída libre de un cuerpo que responde a la fórmula s ⫽ (1/2) · gt2
(donde g ⫽ 9,8 m/s2).
Te i n t e r e s a s a b e r
Un bucle es un conjunto de instrucciones que se repiten hasta que se
cumpla una condición:
HAZ.hasta[
INSTRUCCIONES
][condición]
El resultado de la orden
ARCHIVAR_DATOS será la
creación del archivo tecno.txt.
El bucle ejecuta las instrucciones hasta
que se cumpla la condición.
Análisis de resultados
Se pueden analizar los
datos que se han obtenido
en una hoja de cálculo
(Excel u OpenOffice.org
Calc). El análisis se realiza
mediante un gráfico y un
estudio de la evolución
temporal (puntos de valores máximos y mínimos,
tiempo empleado en alcanzar un valor estipulado,
etcétera).
Actividades
30 Almacena en un archivo de texto los datos del espacio total recorrido cada
segundo por un objeto que se desplaza con una velocidad constante de 3 m/s
hasta que han transcurrido 10 s.
140 UNIDAD 5
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Robots
A diferencia de un automatismo, un robot debe ser capaz de realizar
diversas tareas. Una puerta que se abre automáticamente no es un robot,
como tampoco lo es una lámpara que se enciende cuando oscurece. Ni
siquiera un coche teledirigido o una muñeca que habla son robots.
Un robot es una máquina automática capaz de captar información de su
entorno y de reaccionar ante ella. Además, puede programarse para realizar
diversas tareas.
7.1. Arquitectura de un robot
La estructura de un robot es similar a la de cualquier sistema automático.
Básicamente se compone de sensores, un elemento de control y actuadores.
Componentes electrónicos de un robot.
En los robots, el controlador suele ser un circuito integrado llamado
microcontrolador (ordenador miniaturizado).
Los robots se utilizan en la realización de tareas que requieren mucho
esfuerzo (transporte, carga y descarga de mercancías) o en labores repetitivas (atornillar piezas, efectuar soldaduras, clasificar distintos elementos,
envasar, empaquetar y sellar productos). También se emplean en trabajos
que suponen un riesgo para la vida de las personas, como actividades que
implican el uso de productos químicos (pintura de automóviles), la manipulación de piezas a altas temperaturas o la desactivación de explosivos; y en
todos aquellos entornos de dif ícil acceso, como el fondo del océano (instalaciones petrolíferas) o el espacio (reparación de satélites artificiales).
Actividades
31 Busca en Internet información sobre algún robot. Imprime y pega en tu cua-
derno una foto del mismo. Indica los sensores y actuadores que utiliza, así como
el tipo de alimentación y el controlador que contiene.
Control y robótica
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7.2. Programación de robots
El control por ordenador presenta un inconveniente: el sistema controlado tiene que estar siempre conectado al ordenador. Así, un microondas o
una lavadora tendrían que tener su propio ordenador, y un robot no podría
alejarse más de unos centímetros de la tarjeta controladora.
ENTRADA
Microcontrolador.
PROCESO
SALIDA
receptor
infrarrojos
LDR
motor cc
microcontrolador
transmisor
infrarrojos
micrófono
altavoz
interruptores
Actividades
Sistema automático mediante microcontrolador.
32 Los microcontroladores también
disponen de conversores analógico
digitales para obtener información
del entorno.
Los microcontroladores son pequeños ordenadores miniaturizados que están
incluidos en un circuito integrado.
a) Explica la función del programa
del siguiente diagrama de flujo.
Existen programas que permiten programar un microcontrolador
mediante diagramas de flujo.
start
readadc 1,b0
Para realizar un sistema automático usando un microcontrolador, deberemos seguir dos pasos:
1. Realizar el programa de control y
almacenarlo en el microcontrolador.
2. Montar el microcontrolador en el circuito que
deseemos controlar.
interruptor
start
microcontroladora
B0⬍70
Y
No
pin 3 ⫽ 1
4,5 V
Sí
high 0
out0
330 ⍀
high 0
in1
in3
high 4
ojo
LED
fotorresistencia
wait 4
6
4
PICAXSE 08
N
ojo
LED
7
3
out4
8
10 k⍀
b) Prueba los programas anteriores mediante un simulador de diagramas de flujo. Puedes obtener
uno gratuito en la dirección web:
www.picaxe.co.uk.
142 UNIDAD 5
10 k⍀
low 0
0V
En nuestro ejemplo, al accionar el pulsador conectado al pin3 (in3), se
enciende la luz conectada a la salida 0 durante 4 segundos.
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C L A R A S
Control y robótica
Automatismos. Sistemas de control
Un sistema automático es un conjunto de elementos eléctricos y mecánicos
capaz de funcionar sin necesidad de realizar ningún esfuerzo.
Un sistema de control es un conjunto de elementos que, interconectados,
permiten automatizar una máquina o un proceso. Está formado por sensores,
un controlador y actuadores.
En los sistemas de control en lazo abierto la salida no tiene efecto sobre la
acción de control, mientras que en los sistemas de control en lazo cerrado se
ajustan los parámetros de control en función de la salida.
Sensores
Los sensores se usan para captar parámetros físicos como la temperatura, la
posición de ciertos objetos, la fuerza, la presión, la humedad, etcétera.
Los sensores de temperatura pueden estar basados en la dilatación, en la
variación de la resistencia eléctrica o en la sensibilidad a la radiación infrarroja.
Los sensores de posición pueden ser mecánicos, magnéticos u ópticos.
Los sensores de fuerza y presión incluyen las galgas extensiométricas, los
sensores de tipo Bourdon, etcétera.
Control electromecánico, electrónico y programado
Los sistemas de control electromecánico hacen uso de levas, finales de carrera
y relés.
Los sistemas de control electrónico suelen incluir transistores o comparadores.
Para realizar un sistema de control programado necesitamos una tarjeta controladora y un programa.
Lenguajes de programación
Los lenguajes de programación permiten elaborar series de instrucciones
lógicas que sirven para automatizar un proceso. A ese conjunto de instrucciones se le denomina programa.
Un algoritmo es un conjunto de pasos que permiten resolver un problema.
Se representa mediante un diagrama de flujo.
Robots
Un robot es una máquina automática capaz de captar información de su
entorno y de reaccionar ante ella. Además, puede programarse para realizar
diversas tareas.
El elemento de control de un robot es un circuito integrado denominado
microcontrolador. Un microcontrolador es un pequeño ordenador miniaturizado que está incluido en un circuito integrado.
Elabora un mapa conceptual o esquema con los principales conceptos de la unidad.
Control y robótica
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A N Á L I S I S
Página 144
D E
O B J E T O S
T E C N O L Ó G I C O S
El ascensor: un sistema automático
El acceso a muchas viviendas y lugares de trabajo sería muy complicado sin los
ascensores. Se calcula que en poco más de una hora, una cantidad equivalente a
la población del planeta usa este aparato.
sistema
de control
motor
Un ascensor está formado por una cabina
suspendida de un conjunto de cables metálicos conectados a una polea movida
mediante un motor eléctrico. Un contrapeso
hace que la energía necesaria en las subidas
sea menor.
En la sala de máquinas se encuentra el
sistema de control, encargado de recibir las
peticiones de los usuarios y de encaminar la
cabina a su destino.
Un conjunto de sensores hacen que el
sistema sea más cómodo y seguro:
contrapeso
Ascensor hidráulico.
쮿 Sensores de posición de la cabina para
pararla en el lugar adecuado y reducir
la velocidad instantes antes de llegar.
쮿 Sensores de peso en el interior de la
cabina para bloquear el sistema en caso
de exceso de carga.
쮿 Un sensor de velocidad. En el improbable caso de que los cables que sujetan la cabina se rompiesen y esta se
desplomase, se detectaría el aumento
de velocidad y se activaría automáticamente un sistema de frenado.
쮿 Sensores que impidan el cierre de las
puertas de la cabina si se detecta la
presencia de una persona en el umbral.
144 UNIDAD 5
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A P L I C A C I Ó N
I N F O R M Á T I C A
Simulador de controladora
Los simuladores permiten comprobar el funcionamiento de nuestros programas
de control antes de llevar a cabo el montaje real.
Para hacer uso de un simulador, debemos abrir MSWLogo y elegir la opción
Simuladores 씰 Usar un simulador. El
programa nos mostrará una lista de simuladores. En nuestro ejemplo, elegiremos
PUENTE_ENCONOR, tal como se observa
a la derecha.
Tras pulsar OK, aparecerá una ventana con un dibujo del elemento que se va a
controlar (en este caso, un puente), junto a un esquema de la controladora, que
muestra sus entradas y salidas:
salidas
analógicas
ALIMENTACIÓN
salidas analógicas
salidas digitales
entradas
analógicas
entradas digitales
Si escribimos la orden CONECTA 1, veremos cómo el motor
comienza a funcionar y el puente sube. A su vez, las entradas digitales cambian para indicarnos la posición del puente: cuando este
alcanza la posición final, E1 indica falso y E2 verdadero.
Podemos probar varias órdenes (conectar y desconectar salidas,
comprobar entradas, retardos, etc.) y programas completos de
control realizados con Logo.
Actividades
1 Abre el simulador del semáforo que se corresponde con la figura del margen.
Escribe el siguiente procedimiento, ejecútalo y explica el resultado del mismo:
para sema
REPITE 3[CONECTA 2 ESPERA 3 APAGA 2 ESPERA 3]
fin
Realiza un programa de control para cada uno de los simuladores de controladora que aparecen en MSWLogo. Elabora un documento con capturas de
pantalla de los elementos controlados y con los programas de control creados.
2
Control y robótica
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P R O C E D I M I E N T O S
Uso de una controladora para diseñar
y construir un sistema automático
salidas analógicas
alimentación
5V
tierra
E A1
E A2
15 V
— +
E A3
S A3 S A4
+ — + —
E A5
E A4
S A1 S A2
+ — + —
tierra
En este apartado aprenderemos a realizar las conexiones adecuadas y los programas de control necesarios para construir distintos sistemas automáticos. Para
ello, utilizaremos las entradas y salidas de una controladora que hemos tomado
como ejemplo, denominada Enconor Plus, aunque la programación sería similar si
utilizáramos cualquier otra.
entradas analógicas
alimentación
conexión al ordenador
salidas digitales
S1
S2
S3
S4
S 5A S 5B
entradas digitales
S 6A S 6B
S 7A S 7B
S 8A S 8B
E8
E7
E6
E5
E4
E3
E2
Salidas digitales
1. Encendido y apagado de una bombilla.
S1
Conexión:
Programación:
salidas digitales
S1 S2
S3
S 4 S 5A S 5B S 6A S 6B S 7A S 7B S 8A S 8B
para Encender
Conecta 1
fin
para Apagar
Apaga 1
fin
Salidas tipo interruptor. Las salidas de 1 a 4
son de tipo interruptor. Sirven para activar
y desactivar dispositivos.
2. Control del sentido de giro de un motor.
Conexión:
Programación:
salidas digitales
S1 S2
salida
salida
5A
1
5B
5A
1
2
3
4
S3
S 4 S 5A S 5B S 6A S 6B S 7A S 7B S 8A S 8B
3
5B
4
para motorIzq
conecta 1
conecta 5
fin
2
Salidas tipo conmutador doble. Las salidas
de 5 a 8 son de tipo conmutador doble,
lo que nos permite modificar el sentido
de giro de un motor.
motor
146 UNIDAD 5
para Parar
apaga 1
fin
para motorDer
conecta 1
apaga 5
fin
E1
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P R O C E D I M I E N T O S
Entradas digitales
Detectan únicamente dos estados: activo o inactivo. Se utilizan para detectar
la activación de un interruptor, un pulsador o un final de carrera.
Conexión:
E8
Programación:
E7
E6
E5
E4
E3
E2
E1
Entrada n
Devuelve VERDADERO
si la entrada n (n es un número entre 1 y 8) está conectada; en caso contrario,
devuelve FALSO.
entradas digitales
Ejemplo
SI Entrada 1 [Conecta 1]
Conecta la salida 1 si la entrada 1
está conectada.
ÓRDENES INTERESANTES
Entradas analógicas
SEGUNDOS n
Espera n segundos.
Permiten obtener el valor de un parámetro físico: temperatura, intensidad de
luz, etcétera.
ESPERAOn n
El programa se para
hasta que se active la
entrada n.
ESPERAOff n
El programa se para
hasta que se desactive
la entrada n.
Conexión:
Programación:
⫹5 V
E A1
tierra
LeeAnalogica n
Lee el valor de la entrada analógica n (en ella, n es
un número entre 1 y 5). El
valor obtenido será un número comprendido entre 0
y 255.
LDR
10 k⍀
La tensión de entrada, entre 0 y 5 V, es convertida a un código binario de 8 bits
de acuerdo con la siguiente tabla:
Voltaje de entrada
N.º decimal
N.º binario
0 V a 19,5 mV
0
00000000
19,5 mV a 39 mV
1
00000001
39 mV a 58,5 mV
2
00000010
…
…
…
4,961 V a 4,9805 V
254
11111110
4,9805 V a 5 V
255
11111111
Ejemplo
SI ((LeeAnalogica 1) ⬍ 51) [Conecta 1]
Si la tensión en la entrada analógica 1 es inferior a 51 (equivalente a
1 V), se activa la salida 1. Esto ocurre cuando la resistencia de la LDR
es muy grande comparada con la
resistencia de 10 k⍀.
En general:
n.º decimal ⫽
voltaje de entrada en mV
19,5 mV
Salidas analógicas
Se utilizan para controlar la velocidad de motores o el grado de iluminación de
una bombilla. Permiten obtener una tensión entre 1,6 V y 10,7 V.
Conexión:
Programación:
Voltaje n x
S A1
+ —
S A2
+ —
S A3
+ —
salidas analógicas
S A4
+ —
Aquí n es un número entre 1 y 4 y x un número
entre 1,6 y 10,7; fija en la
salida n una tensión x.
Ejemplo
Voltaje 1 2.4
Hace que en la salida analógica 1
haya 2,4 V.
Control y robótica
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P R O C E D I M I E N T O S
Apertura automática de una puerta
mediante sonido
Con el fin de aplicar lo que hemos aprendido hasta ahora, realizaremos un
proyecto en el que intervengan varias entradas y salidas.
Componentes y conexionado
Como entradas, usaremos dos finales de carrera que nos indicarán la posición
de la puerta y un sensor de sonido para captar ruidos: emplearemos solo las
entradas digitales, pues bastará con saber si la puerta está abierta o cerrada y si
se ha producido o no algún ruido.
Además, en una salida de tipo conmutado conectaremos un motor para abrir
y cerrar la puerta.
S1
S2
sensor de sonido
S3
S4
micrófono
S 5A
M
S 5B
⫹5 V
puerta cerrada
E3
tierra
puerta abierta
E2
E1
148 UNIDAD 5
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P R O C E D I M I E N T O S
Programa
El programa funciona de la siguiente forma: cuando detecta un ruido, da la
orden de abrir la puerta y esta activa el motor hasta que el final de carrera de puerta
abierta es accionado; en ese momento se para el motor durante cinco segundos
y, acto seguido, se procede a cerrar la puerta.
inicio
para ruido
si ((entrada 1) = "VERDADERO) [abrepuerta]
si ((entrada 2) = "VERDADERO) [
segundos 5
cierrapuerta
]
ruido
fin
¿ruido?
NO
abrir puerta
para abrepuerta
si ((entrada 2) = "VERDADERO) [
apaga 1
apaga 5
alto]
conecta 5
conecta 1
abrepuerta
fin
¿E2 on?
NO
parar motor
esperar 5 s
cerrar puerta
para cierrapuerta
si ((entrada 3) = "VERDADERO) [
apaga 1
alto]
apaga 5
conecta 1
cierrapuerta
fin
¿E3 on?
NO
parar motor
Actividades
1 El siguiente procedimiento forma parte del proyecto de control de temperatura de una habitación. Para llevarlo a cabo, disponemos de un sensor de
temperatura realizado mediante un termistor NTC, de un ventilador y de una
controladora. Realiza el diagrama de conexiones de la controladora y explica cómo
funciona el sistema.
para control
Sisino (leeanalogica 1) ⬎ 180 [apaga1] [conecta 1]
control
fin
Realiza un programa en Logo que permita
abrir automáticamente la barrera de entrada
a un aparcamiento.
2
E3
E2
Nota: indica previamente qué salidas y entradas de la controladora vas a utilizar.
pulsador E1
Control y robótica
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P R O C E D I M I E N T O S
Controladora Arduino
La controladora Arduino posee varios pines o patillas que pueden configurarse como entradas o salidas, entradas analógicas y una conexión USB al PC. La
alimentación puede ser externa o a través del propio puerto del ordenador.
Para desarrollar un proyecto de control por ordenador mediante esta placa,
debemos seguir tres pasos: 1. Diseño del circuito; 2. Elaboración del programa
de control, y 3. Carga del programa desde el PC a la controladora.
Diseño del circuito
Controladora Arduino. El diseño de estas
controladoras se puede copiar, modificar y
compartir con todo el mundo. Es decir, se
trata de hardware libre.
Arduino
En esta etapa decidiremos, en función de las características de nuestro proyecto, los componentes que vamos a conectar a la controladora. En general, serán
elementos de entrada (sensores) y de salida (actuadores).
Comenzaremos diseñando un circuito muy simple formado por una salida
digital: un LED que funcione de forma intermitente. Tras realizar un esquema inicial,
utilizaremos el programa Fritzing (gratuito y de código abierto) para completar el
diseño. Su manejo es sencillo: se colocan los distintos componentes sobre el área
de trabajo y se unen mediante cables a través de la placa de prototipos.
R
área de trabajo
pin 13
componentes
LED
tierra
tierra
propiedades del
componente
seleccionado
Elaboración del programa
Para elaborar el programa utilizaremos el entorno de desarrollo gratuito de
Arduino. A continuación se muestra un ejemplo; las instrucciones terminan con
un punto y coma, y los comentarios, que solo sirven para explicar el programa,
comienzan con //. El programa se divide en tres bloques:
Definiciones. En este bloque asignamos nombres a las patillas
para recordar fácilmente su función. En nuestro caso, a la patilla
13 le llamamos PindelLED.
Configuración de entradas y salidas. Definimos qué patillas son
de entrada y cuáles de salida mediante la instrucción pinMode.
Bucle de instrucciones. Las instrucciones que coloquemos entre
corchetes tras void loop () se ejecutarán continuamente.
Coloca a nivel alto (es decir, a 5 V) la patilla PindelLED.
Espera 1000 milisegundos.
Coloca a nivel bajo (es decir, a 0 V) la patilla PindelLED.
Por último, cargamos el programa del ordenador a la controladora mediante
la barra de herramientas:
150 UNIDAD 5
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P R O C E D I M I E N T O S
Entrada digital
Mediante las entradas digitales, la controladora detectará únicamente si están
a 1 o a 0, dependiendo de que la entrada esté a 5 V o a 0 V. Para leer el valor de las
entradas, utilizaremos la siguiente instrucción:
variable ⫽ digitalRead(NombredelPindeEntrada);
Veamos un ejemplo: diseñaremos un circuito que encienda un LED cuando
accionemos un pulsador:
const int PinPulsador = 3; //Definimos
los pines
const int PindelLED = 13;
int pulsadorActivo; //Variable que
almacena el estado del pulsador
void setup() {
//Configuramos entradas y salidas
pinMode(PindelLED, OUTPUT);
pinMode(PinPulsador, INPUT);
}
void loop(){
//Leemos el estado del pulsador
pulsadorActivo =
digitalRead(PinPulsador);
Al pin 3, que configuraremos como entrada, le conectaremos un pulsador y
una resistencia. Al accionar el pulsador, habrá 5 V en este pin; si no lo accionamos,
habrá 0 V. En el margen se muestra la programación correspondiente.
//Si se ha pulsado, encendemos el LED
if (PinPulsador = HIGH) {
digitalWrite(PindelLED, HIGH);
}
else {
//Si no se ha pulsado, lo apagamos
digitalWrite(PindelLED, LOW);
}
}
Entrada analógica
El funcionamiento es idéntico a la entrada digital, pero ahora podemos leer
un valor comprendido entre 0 y 1023, pues la placa Arduino utiliza un conversor
analógico a digital de 10 bits. La instrucción para leer la entrada analógica es:
variable ⫽ analogRead(NombreEntradaAnalógica);
Como ejemplo, veremos un circuito formado por un sensor de luz que enciende
un LED si la iluminación es muy baja:
void loop(){
//Leemos el valor del sensor de luz
valorSensorLuz =
analogRead(PinPulsador);
Tras configurar los pines de entrada y salida, el programa de control sería como
se muestra en el margen.
//Si no hay luz, encendemos el LED
if (valorSensorLuz > 800) {
digitalWrite(PindelLED, HIGH);
}
else {
//Si hay luz, lo apagamos
digitalWrite(PindelLED, LOW);
}
}
Importante
Existe un atractivo entorno de programación
gráfica para Arduino llamado S4A (Scratch
for Arduino). A la derecha se muestra un
ejemplo.
¿Sabrías indicar cuál de los programas realizados es idéntico al que aparece aquí?
Control y robótica
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Actividades
1 Trata de escribir tu nombre en un papel con los ojos
cerrados. ¿Qué ocurre si alguien mueve la hoja mientras
lo estás haciendo? ¿Reacciona bien el sistema ante las
perturbaciones?
D Los siguientes circuitos representan dos sistemas
de control. Explica qué se pretende controlar con ellos y
en qué se diferencian ambos.
8
230 V
¿Qué ventaja tienen los sistemas de control de lazo
cerrado frente a los de lazo abierto?
2
radiador
⫹12 V
Explica la función de los siguientes elementos: termistor, fotodiodo, galga extensiométrica y micrófono.
3
4
⫺tº
Indica qué sensores utilizarías para detectar:
NTC
a) Sobrepeso en un ascensor.
RV
b) Apertura completa de la puerta de un garaje.
⫹
d) Excesiva proximidad al oído del teléfono móvil.
e) Ruido excesivo en clase.
230 V
⫺
10 k⍀
c) Iluminación escasa.
2,2 k⍀
BC548
radiador
10 k⍀
Explica lo que representa la siguiente figura. ¿Qué
aplicaciones puede tener? ¿Cómo puede utilizarse para
medir la velocidad de una bicicleta?
5
desactivado
contacto
⫺
Explica la relación que existe entre los elementos de
los siguientes diagramas.
9
⫹12 V
tubo de vidrio
gas inerte
activado
N
S
N
S
N
⫹12 V
10 k⍀
S
RV
El siguiente dispositivo, conocido como encóder, se
utiliza para medir la velocidad de giro de los motores.
¿Se te ocurre cómo hacerlo?
6
⫺
230 V
2,2 k⍀
⫹
BC548
radiador
⫺tº
LED
⫺
10 k⍀
fotodiodo
entrada
salida
temperatura
deseada
comparador
⫺
⫹
Para medir ángulos de giro, se utiliza un encóder
absoluto. El encóder representado en la siguiente figura
hace uso de cuatro pares LED-fotodiodo. Explica cómo
funciona.
temperatura
actuador
controlador
radiador
7
1000
1001
1011
1010
0010
1110
0110
1111
1101
1100
152 UNIDAD 5
0000
0001
0011
0111
0101
0100
sensor
10 Utilizando la ayuda de MSWLogo, realiza una tabla
con todas las instrucciones gráficas que puedas utilizar.
Realiza un programa que pida dos números y saque
por pantalla la suma de los mismos.
11
12 Realiza un programa que utilice la instrucción
HAZ.HASTA.
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Actividades
13 Realiza el siguiente programa en Logo y observa los
19 El robot de la figura es capaz de detectar obstáculos
con sus antenas y de esquivarlos. Explica cómo funciona
y añade el circuito de control del motor izquierdo.
resultados. Explica cómo funciona.
para juegodados
HAZ “d 1 ⫹ azar 5
ES d
SI :d ⬎ 3 [ES [¡HAS GANADO!]]
SI :d ⬍ 4 [ES [:(, inténtalo de nuevo.]]
fin
14 Realiza un programa que pida tres números y los
motor
control
motor
control
saque por pantalla ordenados de mayor a menor.
D Crea un procedimiento llamado semáforo que
dibuje un semáforo. A continuación, crea un procedimiento adicional que lo haga funcionar. La secuencia
debe ser la siguiente: luz roja, luz verde, tres parpadeos
de luz naranja y empezar de nuevo. (Dato: la orden
ESPERA 60 detiene 1 s el proceso.)
15
⫹
1,5 V
⫺
M
⫹
1,5 V
a) Escribe y prueba el programa.
b) Ordena las piezas del diagrama de flujo que te mostramos a continuación.
para azaroso
HAZ "x (1⫹ azar 5)
REPITE siempre [
ES [Inténtalo]
HAZ "n leepalabra
SI :n⫽:x [alto]
]
fin
final de carrera
izquierdo
⫺
16 El siguiente programa genera un número al azar
entre 1 y 6. Hasta que no adivinemos de cuál se trata, no
podremos salir del bucle «REPITE siempre».
motor derecho
20 D Se desea diseñar un robot «siguelíneas», para lo
cual se está experimentando con el circuito representado
a continuación. Indica si las siguientes afirmaciones son
correctas o falsas:
100 k
M
33 k
NO
2N3904
CNY70
Q2
3V
2N3904
SÍ
a) El sensor y el motor se encuentran en el lado izquierdo.
17
D Realiza un programa que permita controlar desde
una ventana el encendido de dos bombillas y la iluminación de las mismas.
b) Sería necesario un circuito similar para el lado derecho
del robot.
c) El robot será capaz de seguir una línea blanca sobre
fondo negro.
d) Sería conveniente añadir un diodo de protección en
paralelo con el motor.
e) En el interior del CNY70 puede observarse un fotodiodo y un fototransistor.
f) Si se utilizan dos transistores, la corriente que atraviesa el motor será mayor.
18 Diseña un programa para que un robot siga una tra-
yectoria similar a la que aparece a continuación.
21 ¿Qué diferencia existe entre las entradas analógicas
y digitales de una controladora?
22 D Una tarjeta controladora utiliza un conversor ana-
lógico a digital (ADC) de 10 bits. Si el rango de la señal
de entrada es de 0 V a 5 V, indica el valor digital correspondiente a 0 V, 2 V, 4 V y 5 V.
Control y robótica
153