fundamentos de los computadores, programación, robótica

Sensores y actuadores: del mundo físico al eléctrico.

La electrónica es una herramienta muy versátil que nos permite hacer un montón de cosas; por ejemplo: tomar señales del mundo físico y llevarlas al mundo electrónico. Podemos procesar información, trabajar sobre esas señales que hemos adquirido y realizar acciones sobre el mundo físico. 

Los sensores y los actuadores:

  • Los sensores detectan formas de energía, como pueden ser luz o fuerza, y las convierten en una salida de información legible por un sistema electrónico.
  • Los actuadores también reciben una entrada y generan una salida, pero funcionan en sentido opuesto a un sensor. Un actuador es un transductor que recibe información y produce una salida, consistente en alguna forma de energía física.

Los sensores son los que nos permiten capturar señales del mundo físico; el procesador, que nos permite procesar estas señales y, luego, los actuadores, que nos permiten actuar sobre el mundo físico.

Sensores: son los que nos permiten adquirir señales y funcionan para diferentes variables: temperatura, presión, sonido, luz, distancia, aceleración, ángulo, señales eléctricas, gas, partículas, etcétera. Existe una infinidad de ellos.

Procesador: permite procesar información. Hay diversos tipos: analógicos, digitales. Dentro de los digitales, están programables o no programables.

Actuadores: nos permiten realizar acciones. Tenemos de diverso tipo, por ejemplo, sonido: un parlante. También existen de calor, por ejemplo, una estufa o una resistencia eléctrica.

La electricidad es crucial cuando queremos procesar información. Cuando pensamos en capturar, procesar o entregar señales, inevitablemente, pensamos en el uso de la electricidad

Ejemplos de sensores y actuadores:

  • Un micrófono convierte la energía acústica (vibraciones sonoras: oscilaciones en la presión del aire) en energía eléctrica (variaciones de voltaje). 
  • Un altavoz, sigue el camino contrario, transforma la corriente eléctrica en vibraciones sonoras. 
  • Una cámara digital, convierte la energía lumínica transportada por los fotones en corriente eléctrica. 
  • Una pantalla de ordenador sigue el camino inverso al anterior. Transforma la corriente eléctrica en energía lumínica a través de una matriz de puntos luminosos independientes. 
  • Un ventilador, convierte la energía eléctrica en energía mecánica (movimiento del aspa del ventilador).
  • Una estufa doméstica, transformando la energía eléctrica en térmica.

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¿Qué es un microcontrolador?

Los microcontroladores son pequeñas computadoras. Se encuentran incrustados in timers, termostatos, juguetes, controles remotos, microondas, etc. Pueden ser programados para detectar y controlar actividad usando sensores y actuadores.

  • Los sensores detectan el mundo físico y convierten la energía en señales eléctricas.
  • Los actuadores actúan en el mundo físico, convierten la energía eléctrica en energía física como luces o movimiento.
  • Los microcontroladores escuchan a los sensores y hablan a los actuadores basándose en la programación.

El microcontrolador es como una mini-computadora; junto con la electrónica que construyamos, son el esqueleto de nuestros proyectos.

Aprender Arduino implica, por lo tanto, conocer las dos ramas involucradas dentro de la computación: programación y electrónica.

Pero Arduino es más que un microcontrolador, es una plataforma que integra software, hardware y documentación; si hay una característica a destacar de Arduino, es su carácter libre. Todo lo que hay alrededor de esta placa está pensado para facilitarnos la programación de un micro-controlador y el proceso de prototipado.

Las partes más importantes de la placa de Arduino:

Para entender mejor qué es la placa de Arduino:

Dentro de la propia placa podemos encontrar 7 partes fundamentales donde se encuentran no solo un microcontrolador, tenemos dos.

  1. Pines digitales: los pines son la ventana al mundo físico que tiene Arduino. Los pines digitales permiten conectar componentes digitales es decir, con dos estados HIGH o alto (correspondería con 5V) y LOW o bajo (correspondería con 0V).
  2. Botón reset: este botón nos permite reiniciar el programa que hemos cargado. Esto pondrá todas las variables y modos en el estado inicial que hayamos marcado en la función setup().
  3. Puerto USB: este puerto tiene dos funciones. Por un lado cargar el programa al microcontrolador y poder comunicarnos con la placa desde nuestro ordenador. Por otro lado nos permite alimentar los componentes de la placa con 5V.
  4. Microcontrolador: Arduino no es sólo un microcontrolador. Arduino es la placa de desarrollo que nos permite programar y prototipar de una manera muy sencilla. El micro-controlador es el cerebro de la placa. 
  5. Conector de alimentación: existen diferentes maneras de alimentar la placa de Arduino. Una de ellas es a través del conector jack de alimentación.
  6. Pines de alimentación: seguramente quieras conectar sensores y actuadores a la placa. Los pines de alimentación te permitirán alimentarlos con una tensión de 5V o 3,3V.
  7. Pines analógicos: si hemos visto que los pines digitales solo permiten leer dos estados, los pines analógicos permiten leer un rango de valores entre 0V y 5V.

Por lo tanto, un microcontrolador (MCU) es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea específica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres principales unidades funcionales de una computadora:

  • unidad central de procesamiento.
  • memoria.
  • periféricos de entrada y salida.
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Programación en Arduino

Arduino es una plataforma electrónica de código abierto basada en hardware y software de fácil aprendizaje y utilización.

Las placas Arduino pueden leer entradas (por ejemplo: un dedo en un botón o un mensaje de Twitter) y convertirlo en salidas: activar un motor, encender un LED, etc.

Podemos, por lo tanto, decirle a nuestra placa qué hacer enviando un conjunto de instrucciones al micro-controlador. Para enviar estos mensajes se utiliza un lenguaje de programación y el software Arduino (IDE: Integrated Development Environment , es decir, Entorno de Desarrollo Integrado).

(Descargar IDE: https://www.arduino.cc/en/Main/Software)

Ejemplo: código para sensor y LED

Por lo tanto, al contrario de otras tecnologías como pueda ser un ratón o un teclado, Arduino no es un hardware que se conecte y listo. Requiere de un proceso de configuración y aprendizaje previo y una programación para el micro-controlador.

¿Qué es un IDE o entorno de desarrollo?

Existen muchos entornos de desarrollo para muchos lenguajes de programación. Son herramientas que nos permite programar  y de alguna manera son como procesador de textos. Para escribir un mensaje podemos trabajar con Word o con el Bloc de notas (que es más básico); la finalidad es la misma: escribir mensajes. El IDE de Arduino es algo parecido, la única diferencia es que tiene ciertas herramientas que nos permitirán cargar el programa al micro-controlador.

Con los años, Arduino ha sido el cerebro de miles de proyectos, desde objetos cotidianos hasta instrumentos científicos más complejos. Una comunidad mundial de creadores (estudiantes, aficionados, artistas, programadores y profesionales) se ha reunido en torno a esta plataforma de código abierto; sus contribuciones se han sumado a una increíble cantidad de conocimientos accesibles que puede ser de gran ayuda para principiantes y expertos.