Lectura de pines analógicos

Transcripción

1 Lectura de pines analógicos 1. Componentes Arduino UNO Cable USB Placa de prototipado Cables jumpers 2 resistencias de 10 kω Potenciómetro de 10 kω 3 resistencias de 220 kω Botón RGB Led Fotoresistencia Sensor temperatura LM35 1

2 2. Explicación Todo lo que existe en la naturaleza prácticamente de naturaleza analógica, esto quiere decir, cualquier magnitud física es contínua, la temperatura por ejemplo toma valores contínuos (30ºC, 30 05ºC, ), actualmente. En este tutorial nos vamos a centrar en desarrollar técnicas para discretizar estas posibilidades infinates en valores digitales que puedan analizarse mediante la placa arduino UNO. Además aprenderemos las diferencias entre analógico y digital y como convertir unas en otras. 1.- Señales analógicas y digitales. Como acabamos de decir, para conectar nuestros inventos con el mundo físico es necesario tratar datos analógicos, ya que las magnitudes físicas toman valores analógicos, por ejemplo cuando encendemos un LED mediante un botón, el botón actúa como una entrada digital tomando valor de 0 (LOW) cuando el Led está apagado y un valor de 1 (HIGH) cuando este está encendido. Sin embargo, el mundo físico no funciona así normalmente. En la imagen se observa a la izquierda como varía el voltaje en una señal digital (izquierda) y en una analógica (derecha). Como se puede observar a lo largo del tiempo la señal digital toma un valor siempre de 5V (1) o 0V (0), un buen ejemplo de este es el botón que enciende y apaga el led. La señal de analógica podemos observar que también tiene un valor máximo de 5 V y un valor mínimo de 0 V, pero la diferencia radica en que estos dos valores la señal puede tomar infinitos valores, por ejemplo 2,5V, esto no ocurría en la digital. En ordenadores y la placa arduino en este caso nunca podrían medir adecuadamente un número infinito de valores entre los valores 2

3 decimales debido a que la memoria y la potencia del ordenador o placa arduino son valores finitos, es decir, están limitados; conforme la tecnología avanzan y la potencia de cálculo esta precisión crece. Para solucionar este problema lo que se hace es convertir la señal analógica en digital y así tratar mas fácilmente los datos con precisión y velocidad. 2.- Cómo realizamos la conversión de analógico a digital? Vamos a explicarlo con un ejemplo, supongamos que deseamos medir la temperatura de una habitación o la luz para automáticamente hacer que cuando la temperatura sea alta y no haya luz se suba la persiana, para evitar el calor en las calurosas noches de verano. El sensor de luz (fotoresistor) debería dar un valor de salida de 0V cuando hay oscuridad y de 5V cuando hay mucha luz, habiendo valores intermedios para detectar cambios de luz y subir y bajar la persiana (lo mismo con el sensor de temperatura), pero Cómo hacemos que la placa arduino detecte estos valores intermedios de luz y temperatura?, pues la placa arduino tiene pins analógicos para solventar este problema y serán los que debemos usar para medir magnitudes físicas que tomen valores continuos, es decir, los sensores de temperatura y luz (en este caso) han de ir conectados a pines analógicos que realmente son convertidores ADC. En el caso de la placa Arduino UNO el convertidor ADC de 10 bits para realizar las conversiones, lo que quiere decir que el convertidor ADC puede subdividir una señal analógica en 2 10 valores diferentes, es decir 1024 valores, por tanto, la placa arduino puede asignar valores entre 0 y 1023 para cualquier valor analógico. La placa arduino usa un valor de 5V como referencia, es decir, a 5V el valor del sensor sería Así que, con el voltaje de referencia de 5V, si al pin llega un valor de 0 V esta devuelve un valor de 0, si llegan 2 5V la placa devolverá un valor de 512 (la mitad de 1023). Veamos que es lo que pasa realmente: 3

4 En la imagen se muestra un ADC de 3 bits de resolución, por tanto, el valor podrá tomar 2 3 =8 valores, se observan 8 escalones en la izquierda, además se puede ver como 8 señales digitales (azul) emulan una analógica (roja). 3.- Lectura de sensores analógicos. Para leer pines analógicos mediante la placa arduino se usa el comando analogread(). a) lectura del potenciómetro. Vamos a conectar el circuito tal y como vemos en la imagen, el potenciómetro es un sensor analógico, además podemos decir que son divisores de voltaje. Tienen 3 pines, uno se conecta a tierra, otro a la fuente de energía y el central al pin de entrada analógico de la placa arduino, estos son simétricos, es decir, no importa como los conectemos (excepto el pin central). Al girar el potenciómetro se varía la resistencia de este entre 0 y 5 V. Cómo leemos los valores del potenciómetro en pantalla? A través del compilador usando la funcionalidad de comunicación en serie 4

5 usando el comando analogread() y la función Serial.println(), veamos como funciona! const int potenc=0; //decimos al compilador que el potenciómetro al pin 0 int valor=0; //declaramos un valor auxiliar y que será donde se almacenarán los valores que devuelve el potenciómetro (entre 0 y 1023) void setup(){ valor=analogread(potenc); //leemos los valores del potenciómetro y asignamos este valor a la variable val Serial.println(valor); //se imprime en pantalla el valor asignado a la variable valor delay(500); //se espera medio segundo, 500 ms Compilamos el código y abrimos el monitor serial: 5

6 Vamos ajustando el potenciómetro y vemos como varía el valor. Tenemos que fijar el baud rate en Como usar los sensores analógicos Antes de nada, debemos tener claro que los pines analógicos sirven para realizar lecturas de magnitudes reales, tales como la temperatura o luz. Vamos a verlos con un ejemplo en el cual usaremos un lector de temperatura LM35 y en función del cual encenderemos un LED RGB de diferentes colores. El sensor LM35 realizará una lectura de la temperatura, dándo un valor entre 0 y 1023, esto habrá que traducirlo a temperatura de ºC o farenheit. 6

7 El valor que el sensor envía a la placa en función de la temperatura es un voltaje, debemos saber que el voltaje varía en función de la temperatura debido a que el sensor LM35 no es mas que una resistencia que varía su valor en función de la temperatura, de modo que al aumentar la temperatura el valor de la resistencia disminuye y el voltaje de salida desde el sensor a la placa es mayor. Para el sensor LM35 el voltaje o señal recibida por la placa se relaciona con la temperatura según la ecuación: Temperatura = 5 lectura valor Lectura valor es el valor que manda el sensor a la placa, este valor vá desde 0 a A continuación vamos a realizar el siguiente montaje: Lo que vamos a construir es un sistema de alerta de temperatura, de modo que la luz será verde cuando la temperatura es moderada, rojo cuando haga calor y azul cuando haga frio. 7

8 Pero qué es frio, caliente o moderado? Esto tenemos que decidirlo nosotros, en este caso vamos a establecer los límites en base a las lecturas del LM35, por ejemplo, si la habitación en que estamos se encuentra a 25ºC,vamos a considerar que este valor es normal (verde) y que se corresponde con un valor de 51 que lee el sensor LM35; aplicando la ecuación anterior calculamos y establecemos los límites: - Si la temperatura es menor de 18ºC hará frio y se encenderá la luz azul. 18ºC corresponde con una señal de 37 en el sensor. - Si la temperatura está entre 18ºC y 30º consideraremos que hace buena temperatura y el led se pondrá verde. Para 30ºC la señal del sensor es de Para temperaturas mayores de 30ºC consideramos que hace calor y la luz se volverá de color rojo. Para esta temperatura el valor del sensor es de 61 como dijimos. A continuación procedemos a escribir el código: const int azul= 9; //decimos al compilador que el led azul vá conectado al pin 9 const int verde=10; // lo mismo para el led verde const int rojo=11; //igual para el led rojo const int temper=0; //conectamos el sensor de temperatura al pin A0 const int limite_inf=37;//decimos que en el limite inferior (18ºC) la señal que dará el sensor de temperatura será de 37 const int limite_sup=61;//decimos al compilador que en el límite superior de 30ºC la señal será de 61 int valor=0;//declaramos e inicializamos esta variable auxiliar, donde se almacenará la lectura del sensor de temperatura void setup(){ pinmode (azul, OUTPUT); //fijamos los leds como salidas o outputs pinmode (verde, OUTPUT); pinmode (rojo, OUTPUT); 8

9 void loop(){ valor=analogread(temper);//leemos el valor actual del sensor de temperatura if(valor<limite_inf) { //establecemos la condición de que si el valor leído y almacenado en la variable valor es menor que el límite inferior entonces digitalwrite(rojo,low);//entonces fijamos el led rojo en valor LOW, es decir, apagado. digitalwrite(verde,low);//también el verde se apagará ya que la temperatura es menor de 18ºC digitalwrite(azul,high);//decimos que se encienda el led azul. else if (valor >limite_sup){ //condición, pero si ocurre que valor es mayor que el limite superior, es decir, la temperatura es mayor de 30ºC entonces digitalwrite(verde,low);//se apaga el led verde digitalwrite(azul,low);//se apaga el led azul digitalwrite(rojo,high);//encendemos el led rojo (calor) else{ //si no se cumple ninguna de las otras dos condiciones anteriores y valor está entre los dos límites entonces digitalwrite(rojo,low);//apagamos led rojo digitalwrite(azul,low);//apagamos el led azul digitalwrite(verde,high);//encendemos el led verde, la temperatura es buena 5.- El divisor de tensión qué es? Pues un divisor de tensión no es mas que un circuito que usa dos resistencias para producir una señal de salida a un voltaje que está relacionado con el voltaje de entrada, este voltaje está directamente 9

10 relacionado con el valor de las dos resistencias en el circuito, aquí tenemos una imagen que muestra el montaje de este: Entonces, si el voltaje de salida Vout depende del valor de las resistencias y una de estas es una resistencia variable o potenciómetro podemos cambiar el voltaje de salida cambiando este, la resistencia fija puede establecerse como un medidor de la sensibilidad del circuito; si usamos dos resistencias variables podremos ajustar la sensibilidad (siempre dentro de unos límites). cuál es la ecuación que define este circuito? V 678 = V 9: R < R = + R < En resumidas cuentas, el divisor de tensión es un circuito con dos resistencias donde la salida está ubicada entre ambas resistencias y la tensión se divide entre estas dos. Ahora vamos a aplicar este fundamento a un circuito con una fotoresistencia que cambia el valor de su resistencia en función de la luz, muy útil para sistemas domóticos donde queremos controlar algún componente como motor en función de la luz; por ejemplo subir una persiana cuando hay menos luz y bajarla cuando hay mas luz controlando así la cantidad de luz de una habitación, o encender una luz de noche. A continuación vamos a montar nuestra fotoresistencia y vamos a medir en que valor (de entre ) están las condiciones de luz máxima y mínima, ya que este valor nunca será 0 (resistencia de valor infinito) ni tampoco 1023 (resistencia de valor 0). 10

11 Una ve montado el fotoresistor como en la imagen escribimos el siguiente código para tomar los valores del fotoresistor con luz y en completa oscuridad! const int fotor=0; int valor=0; void setup(){ void loop(){ Serial.begin(9600); valor=analogread(fotor); Serial.println(valor); delay(500); Lo compilamos en la placa y abrimos el serial monitor, vemos los valores que está tomando. Podemos iluminarlo con una bombilla (el flash del 11

12 móvil nos servirá bien para este fin) y anotamos el valor que se muestra mientras se ilumina, después lo tapamos con el dedo y tomamos el valor en completa oscuridad; BIEN! Ya tenemos los límites de nuestra fotoresistencia. Ahora vamos a hacer un ejercicio mediante el cual controlaremos un led en función de si hay luz o no, regulando además su intensidad, cuanto mas oscuridad mas intensidad de luz emitirá el led. En el ejercicio anterior usamos el comando analogwrite() para escribir el valor que queríamos mandarle al LED y así elegir la intensidad (lo que hicimos con el potenciómetro), pero en este caso hay un problema. El problema es que el comando analogwrite solamente puede trabajar con valores de 8 bits de tamaño, es decir, valores entre 0 y 255, pero nuestra fotoresistencia trabaja con valores en el rango Que problema! Solo podrémos trabajar en este rango!, Pues te digo que hay una solución para tratar con esto, de hecho, arduino tiene dos formas de tratar con este problema usando dos funciones para movernos en el rango de entre dos conjuntos de valores diferentes. Función map(). Esta función se aplica según la siguiente forma: output=map (valor de entrada, valor bajo rango 1, valor alto rango 1, valor a transformar bajo, valor a transformar alto). Explicamos esto mejor; el valor de entrada es el valor que por ejemplo la fotoresistencia nos dá (entre 0 y 1023); valor bajo rango 1 es el valor mas bajo posible que puede tomar la fotoresistencia, en este caso el que acabamos de tomar cuando hay oscuridad; valor alto rango 1 es el valor máximo que la fotoresistencia puede dar, en este caso el que tomamos cuando había mucha luz; valor a transformar bajo sería el nuevo valor bajo que queremos asignarle, en nuestro caso 0; y el valor a transformar alto el nuevo valor alto que queremos asignarle, en este caso 255. Como hemos dicho, deseamos que cuando hay oscuridad el led se encienda intensamente. Por tanto, cuando el valor de entrada es bajo deseamos que el valor de salida sea alto (al contrario) y viceversa. Entonces, debemos escribir así la función map: map (valor de entrada, valor medido con luz, valor medido con oscuridad, 255, 0). Si por ejemplo el valor mas bajo medido es de 200 y el mas alto 900, el valor 550 corresponde a 127 (en la escala 0-255), esta función no restringe estos valores, es decir, si la fotoresistencia mide por debajo de 200 tendremos un valor por encima de 255, esto es imposible (como antes dijimos) para la función analogwrite() y dará errores. 12

13 Entonces usamos la función constrain(); que funciona tal que output=constrain(valor,minimo,máximo); en nuestro caso se escribiría Output=constrain(valor,0,255); fácil no? Pues vamos a ver el montaje que hay que hacer: Escribamos el código: const int led=9; const int sensor=0; const int minima_luz=200;//valor en oscuridad que antes anotamos const int máxima_luz=900;//valor en máxima luz tomado int valor=0;//inicializamos esta variable donde almacenaremos los datos tomados del sensor void setup(){ pinmode(led,output);//decimos que el led es de salida 13

14 void loop(){ valor=analogread(sensor); //leemos el sensor y el valor lo almacenamos en la variable valor valor=map(valor,minima_luz,maxima_luz,255,0);//introducimos la función map valor=constrain(valor,0,255);//nos protegemos de errores con la función constrain analogwrite(led,valor);//fijamos la intensidad del led 14