INTRODUCCION A LA ELECTRÓNICA E INTERACTIVIDAD (captando el mundo fisico con arduino)

Transcripción

1 INTRODUCCION A LA ELECTRÓNICA E INTERACTIVIDAD (captando el mundo fisico con arduino) Conceptos de electronica (voltaje, corriente, ley Ohm, divisor tension,...) Introducción a las implicaciones práctizas del trabajo con sensores y actuadors Protocolos de comunicación y entrada de datos (midi, serial, osc,...) Equipos comerciales (icube, kroonde, miditron) vs. sistemas de hardware libre (arduino) Mapping. "naturalizando" los inputs Alex Posada 2006

2 ELECTRONICA BÁSICA La electricidad es el flujo de electrones a través de un conductor. La electricidad se caracteriza por 4 conceptos que se relacionan entre si. Voltaje, intensidad, resistencia y potencia. VOLTAJE: Nivel de energia de los electrones respecto a un punto de referencia (tierra, masa o ground). La unidad son Voltios. INTENSIDAD o CORRIENTE: Es la cantidad de carga que atraviesa el electrón por segundo. La unidad son Amperios. RESISTENCIA: Es la capacidad de oposicion al paso de corriente que tiene un material. La unidad son Ohmnios. Relaciona la corriente y el voltaje. POTENCIA: Es la energia consumida por un componente electrónico. La unidad es el Vatio (Watts). Relaciona el voltaje y la corriente. P = V I

3 ELECTRONICA BÁSICA COMPONENTES ELECTRÓNICOS: FUENTE PULSADOR LAMPARA TIERRA CONDENSADOR RESISTENCIA VARIABLE CON LUZ (LDR) FUENTE INTERRUPTOR MOSFET RESISTENCIA DIODO MOTOR RESISTENCIA VARIABLE DIODO LED

4 ELECTRONICA BÁSICA SERIE Y PARALELO Circuito abierto y circuito cerrado Circuito serie y paralelo

5 ELECTRONICA BÁSICA LEY DE OHM V = I R R = V / I I = V / R para r = 10 Ohm I = V / R = 5 / 10 = 0.5 A = 500mA para r = 20 Ohm I = V / R = 5 / 20 = 0.25 A = 250mA para ra = rb = 1000 Ohm Rtotal = ra + rb I = V / Rtotal = 5 / 2000 = A = 2.5 ma p = rb I = mA = 2.5V

6 ELECTRONICA BÁSICA DIVISOR DE TENSION Divisor de tension con un potenciometro: Moviendo el potenciometro conseguimos que p varie entre 0V y 5V. Divisor de tension con sensor resistivo de luz: cuando varia la luz, la resitencia del LDR varia y el valor del voltaje p cambia.

7 ELECTRONICA BÁSICA DIVISOR DE TENSION Pulsador con circuito flotatante pulsado: p = 5V no pulsado: p = flotante (ruido) Pulsador con division de tension. Sensores digitales. pulsado: p = 5V (rpulsador = 0) no pulsado: p = 0V (rpulsador = infinito)

8 ELECTRONICA BÁSICA ELECTRONICA DIGITAL. BINARIO Y HEXADECIMAL BIT: Unidad basica del codigo binario. 0 y 1. 2 estados en electronica 5V = 1, 0V = 0 asi podemos representar numeros binarios con señales electricas NUMEROS: BYTE (BINARIO Y HEXADECIMAL): 1byte = 8bits agrupados (representacion base binario) (representacion base decimal) 0X08 0X80 (representacion base hexadecimal)

9 ELECTRONICA BÁSICA ELECTRONICA DIGITAL. MUESTREO, RESOLUCION Y PWM MUESTREO: Para convertir una señal analogica a digital debemos de muestrear con un conversor AD (analogico-digital) La frecuencia de muestreo es el numero de muestras que se toman por segundo. frecuencia del cd audio = Hz(muestras/segundo) RESOLUCION: Es la precision en el muestreo. Cantidad de bits que se utliza para representar las muestras. A mayor resolución mayor precisión. 8 bits = 256 valores de amplitud 16 bits = valores amplitud (cd audio) MODULACION ANCHURA DE PULSO Pulsos constantes de longitud variable. PWM = 100% > 5V PWM = 0% > 0 V PWM = 50% > 2.5V (Valor medio)

10 QUE ES UN SENSOR? El sensor es un dispositivo que nos permite transducir un parametro físico en una señal eléctrica. QUE ES UN ACTUADOR? El actuador es un dispositivo que nos permite transducir una señal eléctrica en un parámetro físico.

11 TIPOS DE SENSORES - Interruptores y pulsadores (botones, keyboards) - Magneticos (efecto hall) - Piezoelectricos (pads de bateria electronica) - Presion o FSR s (pads de suelo, basculas,...) - Infrarojos (GPD12) (Detectores para robots, theremin) - Ultrasonidos (SRF04) (sonars para robotica) - Acelerometros (airbag, VR, navegacion) - Flexores (datagloves) - Inclinometros - Fotoresistencias (ldr) y Fotodiodos (luz) - Capacitivos (paneles tactiles)

12 TIPOS DE ACTUADORES led (luz) Reles (interruptores de potencia) Solenoides (desplazamiento) Motores DC Motores paso a paso (movimiento por pasos muy precisos) Servomotores (control de posicion) (1ms - 2ms anchura pulso) Electrovalvulas (valvulas electricas para gases y liquidos)

13 COMUNICACION ENTRE EL SOFTWARE Y EL HARDWARE Protocolos para computadoras - PROTOCOLO SERIE (RS-232, RS-485 (balanceado),...) (frecuencia, paridad, bits) - MIDI (MUSICAL INSTRUMENTS DIGITAL INTERFACE) Protocolo serie Frecuencia = Kbytes/seg Mensajes de control (notas, ctrl) y mensajes de sistema - OSC (OPEN SOUND CONTROL) Protocolo por paquetes a traves de TCP/UDP Muy rapido y efectivo Comunicacion a través de internet Sistemas inalambricos WIFI

14 SISTEMAS PARA ADQUISICION DE DATOS Equipos comerciales VS sistemas hardware libre Que es el hardware libre? Crear y compartir diseños de equipos electronicos, y programas relacionados con ellos, como los "drivers". 4 libertades. Libertad de uso Libertad de compartir Libertad de modificacion (fuentes) Libertad de distribucion Un diseño se considera hardware libre si ofrece las 4 libertades del software libre en el diseño del esquematico, el PCB y el fichero de fabricacion. hardware estatico (arduino) y hardware reconfigurable (VHDL, chips)

15 Ventajas mas importantes del hardware libre - Los costes son mucho menores ya que no hay un interes comercial (ventaja para el usuario) - Acceso al codigo fuente de diseños y librerias que permite personalizar y mejorar la aplicacion (ventaja para el desarrollador)

16 Sistemas de hardware libre. ARDUINO Es uno de los primeros proyectos de hardware libre que tiene una gran acojida entre los usuarios. Sistema para desarrollo de prototipos basado en microcontrolador Atmega8 (AVR - ATmel). Interface USB. Comunidad de usuarios Gran numero de librerias coste: 25

17 Sistemas comerciales IcubeX Fue el primer interface midi comercial para sensores Digitizer 32 entradas analogicas - 8 salidas digitales coste: 700 Wi-minidig 8 entradas analogicas 600

18 Sistemas comerciales Atomic Pro (IRCAM) Interface midi para sensores 16 entradas analogicas coste: 600

19 Sistemas comerciales miditron 2005 Interface midi sensores y actuadores 20 puertos de I/O 150

20 Sistemas comerciales Ehtersense (Ircam) Nuevo sistema del ircam 32 canales, 16 bits Comunicacion por OSC coste: 1000

21 Sistemas comerciales Wisebox Nuevo sistema del ircam 8 canales, 16 bits Comunicacion por OSC a través de wifi coste: 950

22 Sistemas comerciales Kroonde La kitchen lab Sistema inalambrico por radiofrecuencia Comunicacion por UDP (osc y netsend) coste: 1500

23 Sistemas comerciales Toaster La kitchen lab Sistema de captura para 16 sensores Comunicacion por UDP (osc y netsend) coste: 900

24 Sistemas comerciales Teleo Makingthings with cycling74 (only for MAXMSP) Sistema hardware modular multifuncion (muchos modulos) Comunicacion por USB (mismo hardware que arduino) coste: 200 c/u

25 Mapeo y acondicionamiento de señal de sensores El mapping es el proceso o algoritmo aplicado por software para filtrar, suavizar y convertir señales procedentes de sensores (datos en bruto) a salidas validas (datos faciles de entender). Decidir que canales externos se comunicarán con que canales internos, y de que forma lo harán Tipos de mapeo: - Mapeo 1 a 1 (mapeo directo sensor -> parametro) - Mapeo varios a 1 (varios sensores -> un parametro) - Mapeo varios a varios (entornos multimodales) (sistema de mapeo mas potente)

26 Mapeo y acondicionamiento de señal de sensores SENSORES ---> MAPPING (sistema) ---> Excitadores

27 Mapeo y acondicionamiento de señal de sensores DIFERENTES FORMAS DE MAPEO Mapeos sencillos - Filtrado (algoritmos de media,...) - Reescalado (lineal o no lineal,...) Mapeos complejos - Redes neuronales (multilayer perceptron, ANN)

28 Mapeo y acondicionamiento de señal de sensores Red neuronal: - solución de problemas complejos - simulacion del cerebro humano - aprendizaje adaptativo - autoorganizacion - tolerancia a fallos - funcionamiento en tiempo real aplicaciones para medicina, metereologia, militar, prevision de patrones, sintesis de voz, etc...

29 Maping en pure-data HID : abstracciones y objetos para human interface devices La kitchen: abstracciones para mapping en pure-data. ANN: artificial neural networks en pure-data