SENSORES

1.1 Ópticos

Detectan la presencia de una persona o de un objeto que interrumpen el haz de luz que le llega al sensor.

Los detectores ópticos basan su funcionamiento en la emisión de un haz de luz que es interrumpido o reflejado por el objeto a detectar. Tiene muchas aplicaciones en el ámbito industrial y son ampliamente utilizados.

1.1.1 Tipos

Sensor Un sensor es un dispositivo que detecta, o censa manifestaciones de cualidades o fenómenos físicos, como la energía, velocidad, aceleración, tamaño, cantidad, etc.

Muchos de los sensores son eléctricos o electrónicos, aunque existen otros tipos. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar            

Conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores censados puedan ser leídos por un humano.

  A continuación se indican algunos tipos y ejemplos de sensores electrónicos:

           • Sensores de temperatura: Termopar, Termistor

           • Sensores de deformación: Galga extensiométrica

           • Sensores de acidez: IsFET

           • Sensores de luz: fotodiodo, fotorresistencia, fototransistor

           • Sensores de sonido: micrófono

           • Sensores de contacto: final de carrera

           • Sensores de imagen digital (fotografía): CCD o CMOS

           • Sensores de proximidad: sensor_de_proximidad

           Por lo general la señal de salida de estos sensores no es apta para su procesamiento, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, y amplificadores que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería.

Cilíndricos

Esta familia de Sensores de la línea Visolux contiene 7 series con un amplio rango de versiones en distintos tamaños y alcances. Todos están disponibles en versiones para detección directa o por barrera.

• Serie KT9: Ø 4mm, alcance 0–250 mm (como barrera) y 0–50 mm (detección directa). Versiones con conector o cable.
• Serie KT 10?: alcance 0–500 mm (barrera) y 0–80 mm (detección directa). Conexión con cable. Disponible en versiones con supresión de fondo. Cuerpo roscado M4.
• Serie KT 11?: alcance 0–250 mm (barrera) y 0–50 mm (detección directa). Versiones con conector y cable. Convertidor de señal incorporado. Cuerpo roscado M4. Disponible con lente de cristal resistente a ralladuras y ataques de sustancias químicas.
• Serie GLV 12?: alcance de 0–5 m (barrera), 0–2 m (con espejo) y 0–200 mm (detección directa). Versiones con conector y cable. Luz roja visible para una fácil alineación. Cuerpo roscado M12.
• Serie VL 18?: alcance 0–15 m (barrera), 0–4 m (con espejo) y 0–400 mm (detección directa). Conector M12. Luz roja visible para una fácil alineación. Cuerpo roscado M12. Versiones con salida de luz directa y con salida de luz lateral. Disponible en versiones con supresión de fondo.
• Serie 18GM: alcance 0–5 m (barrera), 0–3 m (con espejo) y 0–200 mm (detección directa). Versiones con cable o conector. Disponible en versiones con supresión de fondo. Cuerpo roscado M18.
• Serie GLV 30: alcance 20–2.500 mm (detección directa). Conector M12. Disponible en versiones con supresión de fondo. Cuerpo roscado M30.

Rectangulares

Series 28, 32 y 39.

Comprende 16 series, cada una con distinto formato físico y diversas prestaciones. Algunas series ofrecen modelos aptos para bus AS-i y otras ofrecen parametrización programable y sistemas de autoaprendizaje (Teach-In). Existen versiones para detección directa, para detección por barrera y para detección mediante espejo.

Estos sensores ofrecen protección ambiental IP 65? o IP 67?, carcaza de aluminio o de plástico reforzado, circuito de control incorporado y están disponibles con alcances que van desde 0–2,5 m hasta 0–35 m.

Serie 28

• Extensa gama de sensores
• Indicadores LED de alta luminosidad de encendido y de preavería
•  Fijación de cola de milano y taladros pasantes
• Regulador de la sensibilidad y conmutador claro/oscuro de serie
• Insensible a la luz ambiente incluso en lámparas de ahorro energético

Serie 32

• Diseño estrecho, especial para la técnica de almacenaje y transporte
•  Condiciones ópticas muy elevadas
• Cubierta óptica de vidrio resistente al rayado y a disolventes

Serie 39

• Excelentes condiciones ópticas
• Indicación y salida de preavería
• funciones de tiempo programable.
• Certificado AS-interfase
• Serie Vari Kont? L2
• variantes ópticas, filtro polarizado-Réflex y detección directa
• Cabeza censora orientable a 2 niveles
• Panel plástico muy resistente
• Sensores Ópticos Serie MLV 12?

Una familia que incluye 5 clases, cada una con el mismo formato físico y diversas prestaciones. Comprenden versiones de detección por espejo, detección directa, detección de objetos transparentes, barreras con emisor y receptor separados y versiones para aplicaciones de seguridad personal.

Estos sensores ofrecen protección ambiental IP 67, carcaza con marco de fundición y cuerpo de plástico inyectado, y sus múltiples ranuras y agujeros de montaje son compatibles con la mayoría de los accesorios de montaje existentes en el mercado.

Su diseño innovador permite una alta resistencia ambiental IP 67, al mismo tiempo que asegura gran resistencia mecánica. Los conectores son rotativos en 90° y vienen en diámetros M8 y M12 además de disponerse versiones con cable de 2 m. Las versiones programables mediante Teach-In no requieren software ni accesorios adicionales, todos los ajustes se realizan mediante los botones en la carcaza.

Sensores ópticos de tipo horquilla

Desarrollados para aplicaciones muy específicas en ciertas industrias como ser:

• Detección del correcto pegado de etiquetas.
• Detección de velocidad de avance.
•  Detección de partes pequeñas en zonas de alimentación de piezas.
•  Control de calidad de bordes en la fabricación de cintas continúas.
•  Monitoreo del flujo de material.

Sensores ópticos para la detección de marcas de impresión (TACOS).

Sensores especialmente diseñados para detectar cualquier tipo de marca de impresión. Versión Scanner Láser para marcas muy pequeñas. La electrónica incorporada permite la selección automática del color de la luz transmitida (rojo, verde, azul) para garantizar detección aun con contraste reducido. Procedimiento automatizado mediante Teach In para el ajuste del umbral de sensibilidad y para la selección de colores. Dos posiciones de censado intercambiables. Opcionalmente pueden proveerse con carcaza de acero inoxidable y/o con lentes de plástico.

1.1.2 Funcionamiento

Por emisión y recepción de luz. Tanto en el emisor como en el receptor existen pequeñas lentes ópticas que permiten concentrar el haz de luz y se encuentran en un mismo en capsulado. Generalmente trabajan por reflexión de la luz, es decir, el emisor emite luz y si esta luz es reflejada por un objeto, el receptor lo detecta. Un detalle que resulta muy importante a tener en cuenta es que los sensores ópticos son delos más sensibles que existen y justamente por este motivo es que la mayoría de ellos no duran demasiado tiempo. En este tipo de sensores ópticos las señales que se transmiten son luminosas.

El emisor y el receptor suelen ser elementos separados. El primero suele ser un diodo emisor de luz (LED), por general rojo que ilumina una pequeña área al frente del receptor, y el receptor un fotodiodo.

El sensor de luz mide la cantidad de luz que recibe. Le entrega al RCX un número que varía entre 0 (oscuridad total) y 100 (muy brillante). Este sensor es muy útil; puede ser usado como un simple detector para ver si las luces han sido encendidas o no, o puede ser usado para que el robot siga una línea negra en una superficie blanca (o viceversa).

El sensor de luz puede determinar si esta viendo un trozo de papel blanco o negro. Cuando el sensor de luz está sobre papel blanco, lee un valor de 50. Cuando está sobre el papel Negro, mide un valor de 33 (valores aproximados).

El sensor de luz detecta luz en ángulo muy amplio. Para disminuir el campo de visión se puede colocar una barra de 1×2 con un agujero frente al sensor. De ese modo el sensor solo detectará la luz directamente al frente de él.

1.1.3 Características

Cilíndricos

• Construcción: Carcaza de Acero Inoxidable. 
• Superficie Optica: Plástico.
• Alimentación: 10–30 VCC y 24 VCC para la serie GLV 30?.
• Salidas: PNP, NA, NC

 Aptos Intemperie IP 67 excepto la serie KT 10? con IP 65.

• Tensión de trabajo: 10 VDC … 30 VDC 
• Corriente en vacío: 20 mA.
• Indicador de estado de conmutación y de encendido 
• Conmutación claro/oscuro 
• Tipo de protección IP 67? 
• E0: 3 hilos, CC, npn, NA
• E2: 3 hilos, CC, pnp, NA 
• E4: 3 hilos, CC, npn, NA/NC 
• E5: 2 hilos, CC, pnp, NA/NC 
• Rectangulares: Series 28, 32 y 39 
• Superficie óptica: Vidrio o Plástico.
• Alimentación: 10–30 VCC, 20–240 VCA. 
• Salidas: PNP, NA, NC. 
• Aptos Intemperie IP 67. 
• Versiones con luz roja visible, luz infrarroja y laser. 

Serie 28

• Tensión de trabajo: 10 VDC 30 VDC 
• Corriente en vacío: 40 mA 
• Dimensiones: 25,8 x 88 x 65,5 mm 
• Modo de conexión: Conector M12 
• Indicación de encendido, estado de conmutación y preavería
• Funciones del tiempo: GAN, GAB, IAB programables 
• Tipo de conmutación: conmutador claro/oscuro 
• Tipo de protección: IP 67 

Serie 32

• Tensión de trabajo: 10 VDC 30 VDC
• Corriente en vacío: 40 mA 
• Dimensiones: 22 x 72,2 x 45,6 mm 
• Modo de conexión: Conector M12 
• Indicación de estado de conmutación y preavería

1.1.4 Modo de comunicación

El modo de operación de los sensores ópticos varía de acuerdo a su tipo, a continuación:

• Barrera de Luz
• Rango amplio (20m)
• El Alineamiento es crítico.
• Retro‐reflectivo (Réflex)
• Rango 1‐3 m.
• Popular y barato
• Reflectivo Difuso
• Rango 12‐300 mm.
• Barato y fácil de usar.

SENSOR DE TEMPERATURA LM35

El sensor LM35, es un sensor de temperatura integrado de precisión cuyos rangos de operación oscilan desde los  -55°C  hasta los 150°C, teniendo en cuenta que este tipo de sensores ofrecen una precisión de +- 1.4°C a temperatura ambiente. Además de ello, son del tipo lineal; es decir, que no es necesario forzar al usuario a realizar conversiones debido a que otros sensores están basados en grados Kelvin.

Un LM35 puede funcionar a partir de los 5 V (en corriente continua), sea por alimentación simple o por doble alimentación (+/-). Sus características más importantes se describen a continuación:

• Configurado para ser leído en grados Celsius

• Factor de escala lineal de +10 mV / ºC

• Rango de trabajo entre -55 ºC hasta 150 ºC

• Apropiado para aplicaciones remotas

• Bajo costo

• Funciona con tensiones entre 4 V hasta 30 V

• Menos de 60 uA de consumo

• Baja impedancia de salida, 0.1 W, para cargas de 1 mA

  

Por lo tanto, esta clase de sensores son los más usados en la práctica debido a su reducido costo y escasas opciones de mantenimiento, lo que hace un elemento viable en la mayoría de sus aplicaciones.

practica del sensor de temperatura (LM35)

// give it a name:

int led = 13;

// the setup routine runs once when you press reset:

void setup() {

  // initialize the digital pin as an output.

  pinMode(led, OUTPUT);

}

// the loop routine runs over and over again forever:

void loop() {

  digitalWrite(led, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)

  delay(1000);               // wait for a second

  digitalWrite(led, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW

  delay(1000);               // wait for a second

}

 

Practica del sensor óptico 

int led = 8;//pino onde será colocado o led

int sensor = 5;//pino onde será colocado o sensor

int val = 0;//variável para armazenar o valor analógico

void setup()

{

   Serial.begin(9600);// porta serial em 9600 bps

   pinMode(led, OUTPUT); // determina o led como uma saída.

}

void loop()

{

   val = analogRead(sensor);// Lê o valor do sensor e o armazena na variável val.

   Serial.println(val); // imprimir como um decimal

   delay(100); // delay de 100 milissegundos antes da próxima leitura:

   if (val > 1000) //Se o valor for maior que 1000

      digitalWrite(led, OUTPUT);// Coloca o led em estado HIGH, ou seja liga o led.

   else // ou se o valor for menor que 1000

       digitalWrite(led, LOW);// Coloca o led em estado LOW, ou seja desliga o led.

}

1.2 Temperatura

 Los sensores de temperatura son dispositivos que transforman los cambios de temperatura en cambios en señales eléctricas que son procesados por equipo eléctrico o electrónico. Hay tres tipos de sensores de temperatura, los termistores, los RTD y los termopares. El sensor de temperatura, típicamente suele estar formado por el elemento sensor, de cualquiera de los tipos anteriores, la vaina que lo envuelve y que está rellena de un material muy conductor de la temperatura, para que los cambios se transmitan rápidamente al elemento sensor y del cable al que se conectarán el equipo electrónico.

1.2.1 Tipos

 En la actualidad hay muchas formas de medir la temperatura con todo tipo de sensores de diversas naturalezas. La ingeniería de control de procesos ha inventado, perfeccionado e innovado a la hora de disponer de sensores que les ayuden a controlar los cambios de temperatura en procesos industriales. 

Termistor 

El termistor está basado en que el comportamiento de la resistencia de los semiconductores es variable en función de la temperatura. Existen los termistores tipo NTC y los termistores tipo PTC. En los primeros, al aumentar la temperatura, disminuye la resistencia. En los PTC, al aumentar la temperatura, aumenta la resistencia. El principal problema de los termistores es que no son lineales según la temperatura por lo que es necesario aplicar fórmulas complejas para determinar la temperatura según la corriente que circula y son complicados de calibrar.

RTD (resistance temperature detector) 

Un RTD es un sensor de temperatura basado en la variación de la resistencia de un conductor con la temperatura. Los metales empleados normalmente como RTD son platino, cobre, niquel y molibdeno. De entre los anteriores, los sensores de platino son los más comunes por tener mejor linealidad, más rapidez y mayor margen de temperatura.

Termopar 

El termopar, también llamado termocupla y que recibe este nombre por estar formado por dos metales, es un instrumento de medida cuyo principio de funcionamiento es el efecto termoceléctrico. Un material termoeléctrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar frío cuando se le aplica una corriente eléctrica. El termopar genera una tensión que está en función de la temperatura que se está aplicando al sensor. Midiendo con un voltímetro la tensión generada, conoceremos la temperatura. Los termopares tienen un amplio rango de medida, son económicos y están muy extendidos en la industria. El principal inconveniente estriba en su precisión, que es pequeña en comparación con sensores de temperatura RTD o termistores.

1.2.2 Funcionamiento

La temperatura es una medida del promedio de energía cinética de las partículas en una unidad de masa, expresada en unidades de grados en una escala estándar. Puede medir temperatura de diferentes maneras que varían de acuerdo al costo del equipo y la precisión. Los tipos de sensores más comunes son los termopraes, RTDs y termistores.

1.2.3 Características

•  Alto grado de protección contra la humedad;
•  Medición de temperaturas entre – 50 ºC y 800 ºC;
• Punta de medición fija o intercambiable;
•  Elemento de resistencia Pt 100 / Pt 1000, NTC / PTC y termopares;
• Disponible con transmisor incorporado;
• Disponible con homologaciones marinas.

1.3 Presión

En la técnica de procesos, por ejemplo, entre un 30 y un 40 % de todas las mediciones son mediciones de presiones. La presión que se acumula hasta que empiece el flujo y la presión de retención son magnitudes importantes en la neumática. Las unidades de mantenimiento utilizadas en sistemas neumáticos tienen que estar equipadas con un manómetro y una unidad de ajuste de la presión.

Para medir la presión se utilizan sensores que están dotados de un elemento sensible a la presión y que emiten una señal eléctrica al variar la presión o que provocan operaciones de conmutación si esta supera un determinado valor límite. Es importante tener en cuenta la presión que se mide, ya que pueden distinguirse los siguientes tipos:• Presión absoluta• Presión diferencial• Sobrepresión

1.3.1 Tipos

• SENSOR DE PRESION MECANICO
• SENSOR DE PRESION MECANICO
• SENSOR DE PRESION MECANICO
• SENSOR DE PRESION MECANICO
• SENSOR DE PRESIÓN NEUMATICO
• SENSOR DE PRESION ELECTROMECANICO: RESISTIVOS
• SENSOR DE PRESION ELECTROMECANICO: INDUCCIÓN VARIABLEY MAG. RELUCTANCIA VARIABLE.
• SENSOR DE PRESION ELECTROMECANICO: MAGNETICOCAPACITIVO
• SENSOR DE PRESION ELECTROMECANICO:

GALGAEXTENSIOMÉTRICA.

•  SENSOR DE PRESION ELECTRONICO
•  SENSOR DE PRESION ELECTONICO: TRANSDUCTOR PIRANI
• SENSOR DE PRESION ELECTRONICO: TERMICO BIMETALICO
• SENSOR DE PRESION ELECTRONICO: TERMOPAR.

1.3.2 Funcionamiento

Para medir la presión se utilizan sensores que están dotados de un elemento sensible a la presión y que emiten una señal eléctrica al variar la presión o que provocan operaciones de conmutación si esta supera un determinado valor límite.

Control de sujeción, Succión de elementos, succión de tornillos en atornilladores automáticos, apretado de tuercas automáticas, control de fuerza en pinzas prensoras, confirmación de presión a la soldadura.

Los sensores piezorresistivos de la presión del silicio de la detección y del control de Honeywell contienen los elementos de detección que consisten en cuatro piezoresistores enterrados frente a un diafragma fino, químico-grabado al agua fuerte del silicio. Un cambio de la presión hace el diafragma doblar, induciendo una tensión en el diafragma y los resistores enterrados. Los valores del resistor cambian en proporción con la tensión aplicada y producen una salida eléctrica.

1.3.3 Características

Estos sensores son pequeños, bajos costo y confiables. Ofrecen la capacidad de repetición excelente, la alta exactitud y la confiabilidad bajo variación de

condiciones ambientales. Además, ofrecen características de funcionamiento alto constantes a partir de un sensor al siguiente, y de la capacidad de intercambio sin la recalibración. Mejor usado para: Dispositivos médicos y de la HVAC, equipo del almacenaje de datos y de la cromatografía de gas, controles de proceso, maquinaria industrial, bombas y robótica.

1.3.4 Modo de comunicación

El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando este, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es la seguridad extrema.

1.4 Proximidad 

Un sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor. Existen varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan. Los más comunes son los interruptores de posición, los detectores capacitivos, los inductivos y los fotoeléctricos, como el de infrarrojos.

1.4.1 Tipos

•  Interruptores de posición

 El final de carrera o sensor de contacto (también conocido como "interruptor de límite") o limit switch, son dispositivos eléctricos, neumáticos o mecánicos situados al final del recorrido de un elemento móvil, como por ejemplo una cinta transportadora, con el objetivo de enviar señales que puedan modificar el estado de un circuito. Internamente pueden contener interruptores normalmente abiertos (NA), cerrados (NC) o conmutadores dependiendo de la operación que cumplan al ser accionados. Generalmente estos sensores están compuestos por dos partes: un cuerpo donde se encuentran los contactos y una cabeza que detecta el movimiento. Su uso es muy diverso, empleándose, en general, en todas las máquinas que tengan un movimiento rectilíneo de ida y vuelta o sigan una trayectoria fija, es decir, aquellas que realicen una carrera o recorrido fijo, como por ejemplo ascensores, montacargas, robots, etc.

• Capacitivos

La función del detector capacitivo consiste en señalar un cambio de estado, basado en la variación del estímulo de un campo eléctrico. Los sensores capacitivos detectan objetos metálicos, o no metálicos, midiendo el cambio en la capacitancia, la cual depende de la constante dieléctrica del material a detectar, su masa, tamaño, y distancia hasta la superficie sensible del detector. Los detectores capacitivos están construidos en base a un oscilador RC. Debido a la influencia del objeto a detectar, y del cambio de capacitancia, la amplificación se incrementa haciendo entrar en oscilación el oscilador. El punto exacto de ésta función puede regularse mediante un potenciómetro, el cual controla la realimentación del oscilador. La distancia de actuación en determinados materiales, pueden por ello, regularse mediante el potenciómetro. La señal de salida del oscilador alimenta otro amplificador, el cual a su vez, pasa la señal a la etapa de salida. Cuando un objeto conductor se acerca a la cara activa del detector, el objeto actúa como un condensador. El cambio de la capacitancia es significativo durante una larga distancia. Si se aproxima un objeto no conductor, (>1) solamente se produce un cambio pequeño en la constante dieléctrica, y el incremento en su capacitancia es muy pequeño comparado con los materiales conductores.

• Inductivos

Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección férricos y no férricos. El sensor consiste en una bobina con núcleo de ferrita, un oscilador, un sensor de nivel de disparo de la señal y un circuito de salida. Al aproximarse un objeto "metálico" o no metálico, se inducen corrientes de histéresis en el objeto. Debido a ello hay una pérdida de energía y una menor amplitud de oscilación. El circuito sensor reconoce entonces un cambio específico de amplitud y genera una señal que conmuta la salida de estado sólido o la posición "ON" y "OFF".

• Fotoeléctricos 

El receptor de rayos infrarrojos suele ser un fototransistor o un fotodiodo. El circuito de salida utiliza la señal del receptor para amplificarla y adaptarla a una salida que el sistema pueda entender. la señal enviada por el emisor puede ser codificada para distinguirla de otra y así identificar varios sensores a la vez esto es muy utilizado en la robótica en casos en que se necesita tener más de un emisor infrarrojo y solo se quiera tener un receptor. Existen tres tipos de sensores fotoeléctricos, los sensores por barrera de luz, reflexión sobre espejo o reflexión sobre objetos.

• Ultrasónico

Los sensores de ultrasonidos son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicos y que detectan objetos a distancias de hasta 8m. El sensor emite impulsos ultrasónicos. Estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, superficies y de diferentes materiales. Los materiales pueden ser sólidos, líquidos o polvorientos, sin embargo han de ser deflectores de sonido. Los sensores trabajan según el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco. Este sensor al no necesitar el contacto físico con el objeto ofrece la posibilidad de detectar objetos frágiles, como pintura fresca, además detecta cualquier material, independientemente del color, al mismo alcance, sin ajuste ni factor de corrección.

1.4.2 Funcionamiento

El principio de funcionamiento de un sensor de proximidad capacitivo , está basado en la medición de los cambios de capacitancia eléctrica de un condensador en un circuito resonante RC, ante la aproximación de cualquier material.

Los sensores de proximidad inductivos y capacitivos están basados en el uso de osciladores, en los que la amplitud de oscilación varía al aproximar un objeto.

1.4.3 Características

La tensión de alimentación es de 5 voltios de continua. Podrá alimentarse directamente de la salida de 5V para sensores de la controladora ENCONOR.

La salida es de tipo todo-nada y se conectará directamente a alguna entrada digital de las controladoras ENCONOR.

La distancia a la cual se detectará un objeto dependerá de varios factores


2.- Actuadores 

Los actuadores tienen como misión generar el movimiento de los elementos del robot según las órdenes dadas por la unidad de control. Se clasifican en tres grandes grupos, según la energía que utilizan:


2.1 Eléctricos 

Los actuadores electrónicos también son muy utilizados en los aparatos mecatrónicos, como por ejemplo, en los robots. Los servomotores CA sin escobillas se utilizaran en el futuro como actuadores de posicionamiento preciso debido a la demanda de funcionamiento sin tantas horas de mantenimiento. 



2.1.1 Tipos

•  Motores de corriente continua (DC): 

Son los más usados en la actualidad debido a su facilidad de control. En este caso, se utiliza en el propio motor un sensor de posición (Encoder) para poder realizar su control. Los motores de DC están constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimentan con corriente continua: El inducido, también denominado devanado de excitación, está situado en el estator y crea un campo magnético de dirección fija, denominado excitación. El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de Lorentz que aparece como combinación de la corriente circulante por él y del campo magnético de excitación. Recibe la corriente del exterior a través del colector de delgas, en el que se apoyan unas escobillas de grafito. Para que se pueda dar la conversión de energía eléctrica en energía mecánica de forma continua es necesario que los campos magnéticos del estator y del rotor permanezcan estáticos entre sí. Esta transformación es máxima cuando ambos campos se encuentran en cuadratura. El colector de delgas es un conmutador sincronizado con el rotor encargado de que se mantenga el ángulo relativo entre el campo del estator y el creado por las corrientes rotoricas. De esta forma se consigue transformar automáticamente, en función de la velocidad de la máquina, la corriente continua que alimenta al motor en corriente alterna de frecuencia variable en el inducido. Este tipo de funcionamiento se conoce con el nombre de autopilotado.

2.1.2 Funcionamiento 

Como se utilizan cables eléctricos para transmitir electricidad y las señales, es altamente versátil y prácticamente no hay restricciones respecto a la distancia entra la fuente de poder y el actuador. Existe una gran cantidad de modelos y es fácil utilizarlos con motores eléctricos estandarizados según la aplicación. En la mayoría de los casos es necesario utilizar reductores, debido a que los motores son de operación continua. 

2.1.3 Características 

Las características de control, sencillez y precisión de los accionamientos eléctricos han hecho que sean los más usados en los robots industriales actuales. 

2.1.4 Modo de comunicación

Los actuadores eléctricos se comunican mediante el funcionamiento de los mismos, ya que si una parte llega a fallar no se puede realizar la acción que se requiere para llevar a cabo su movimiento. Sistema de "llave de seguridad" : Este método de llave de seguridad para la retención de las tapas del actuador, usa una cinta cilíndrica flexible de acero inoxidable en una ranura de deslizamiento labrada a máquina. Esto elimina la concentración de esfuerzos causados por cargas centradas en los tornillos de las tapas y helicoils. Las Llaves de Seguridad incrementan de gran forma la fuerza del ensamblado del actuador y proveen un cierre de seguridad contra desacoplamientos peligrosos. Piñón con ranura: Esta ranura en la parte superior del piñón provee una transmisión autocentrante, directa para indicadores de posición e interruptores de posición, eliminando el uso de bridas de acoplamiento. (Bajo la norma Namur).


2.2 Mecánicos 

Los actuadores mecánicos son dispositivos que transforman el movimiento rotativo a la entrada, en un movimiento lineal en la salida. Los actuadores mecánicos aplicables para los campos donde se requiera movimientos lineales tales como: elevación, traslación y posicionamiento lineal. 

2.2.2 Funcionamiento
 Cuando un proceso de automatización se realiza sin la intervención humana decimos que se trata de un proceso automatizado. La automatización permite la eliminación “total” o parcial de la intervención del hombre. Los automatismos son dispositivos de realizar tareas sin la intervención humana. Algunas máquinas coma las lavadoras tienen programadores y las ordenes que proporcionan se llaman programas. 

2.2.3 Características
Alta fiabilidad, simplicidad de utilización, mínima manutención, seguridad y precisión de posicionamiento; irreversibilidad según el modelo de aplicación, sincronismo de movimiento. En el funcionamiento de los automatismos se caracteriza por tres fases: 

• Entrada de datos u órdenes.
•  Control de los datos.
•  Realización de tareas concretas

2.2.4 Modo de comunicación 

Cuando aplicamos una fuerza sobre una superficie determinada decimos que ejercemos presión. Cuando más grande sea la superficie sobre la cual aplicamos la fuerza más pequeña será la presión que ejercemos encima y cuanto más pequeña sea la superficie mayor será la presión. En el SI la fuerza se mide en Newtones y la superficie en m². El cociente entre estas unidades nos da la unidad de presión, los Pascales. Pa= F/S En neumática el pascal resulta una unidad muy pequeña, por eso se utiliza un Bar que es igual a 105 pascales. Otras unidades que se utilizan para medir la presión son: atmósferas que equivalen a la presión atmosférica nivel del mar.

2.3 Hidráulicos 

Los actuadores hidráulicos, que son los de mayor antigüedad, pueden ser clasificados de acuerdo con la forma de operación, funcionan en base a fluidos a presión.

2.3.1 Tipos

• cilindro hidráulico:  De acuerdo con su función podemos clasificar a los cilindros hidráulicos en 2 tipos: de Efecto simple y de acción doble. En el primer tipo se utiliza fuerza hidráulica para empujar y una fuerza externa, diferente, para contraer. El segundo tipo se emplea la fuerza hidráulica para efectuar ambas acciones. 
• motor hidráulico: En los motores hidráulicos el movimiento rotatorio es generado por la presión. Estos motores los podemos clasificar en dos grandes grupos: El primero es uno de tipo rotatorio en el que los engranes son accionados directamente por aceite a presión, y el segundo, de tipo oscilante, el movimiento rotatorio es generado por la acción oscilatoria de un pistón o percutor; este tipo tiene mayor demanda debido a su mayor eficiencia. 
• motor hidráulico de oscilación: Tiene como función, el absorber un determinado volumen de fluido a presión y devolverlo al circuito en el momento que éste lo precise. 

2.3.2 Funcionamiento 
La misión de los actuadores es generar o transmitir movimiento a piezas o elementos, previas órdenes dadas por la unidad de control y mando. Los actuadores hidráulicos utilizan como energía aceites minerales, que trabajan a presión entre 50 y 100 bares y que en ocasiones pueden superar los 300 bares. 
2.3.3 Características 
Las bombas hidráulicas son los elementos encargados de impulsar el aceite o líquido hidráulico, transformando la energía mecánica rotatoria en energía hidráulica. 
2.3.4 Modo de comunicación 
Por lo general, los actuadores hidráulicos se emplean cuando lo que se necesita es potencia, y los neumáticos son simples posicionamientos. Sin embargo, los hidráulicos requieren demasiado equipo para suministro de energía, así como de mantenimiento periódico. Por otro lado, las aplicaciones de los modelos neumáticos también son limitadas desde el punto de vista de precisión y mantenimiento.

Practica de servomotor 

En este practica vamos a mover el eje de un servomotor. Los servomotores son motores eléctricos con un mecanismo interno de control, el cual nos permite controlar la posición o ángulo de su eje. Normalmente están construidos para girar en un angulo de 0 a 180 grados y en ambos sentidos. También hay los que tienen giro continuo, en los que no podemos controlar la posición pero si la velocidad. En este proyecto sólo haremos girar el eje del servomotor de manera continua, primero de 0 a 180 grados y después en sentido contrario, de 180 a 0 grados. El propósito es usar la biblioteca Servo, que nos facilita el manejo de los servomotores y probar como funciona.

Componentes

• arduino
• protoboard
• un servomotorCircuito El servomotor de nuestro kit es un servomotor de 5 volts y tiene tres cables para hacerlo funcionar. 
• Un cable rojo, que se debe conectar a 5 volts. Un cable negro, que se debe conectar a tierra. Y un tercer cable, amarillo en nuestro motor, que es el cable de control y que vamos a conectar a un pin de salida del arduino. Es muy recomendable colocar un capacitor entre las dos patas de alimentación de nuestro servo. Cuando el servo arranca, consume más corriente que cuando se está moviendo, causando caidas en el voltaje, que con el capacitor ayudamos a hacerlas más suaves. Pondremos un capacitor electrolítico de 100 uf, hay que tener cuidado en como lo conectamos, ya que son componentes polarizadas 

Código

    /*









En este proyecto movemos un servo de 0 a 180 grados y despues en sentido inverso





Para hacerlo utilizamos la biblioteca Servo







*/







#include <Servo.h>   // incluimos la biblioteca Servo 





Servo miservo;       // creamos un objecto servo para controlar el motor 





void setup() { 





miservo.attach(9);  // liga el servo al pin 9 





}





void loop() { 





for(int angulo = 0; angulo < 180; angulo += 1) {   //  un ciclo para mover el servo entre los 0 y los 180 grados  







miservo.write(angulo);               //  manda al servo la posicion







delay(15);                        //  espera unos milisegundos para que el servo llegue a su posicion







}







for(int angulo = 180; angulo >= 1; angulo -= 1)    {   //  un ciclo para mover el servo entre los 180 y los 0 grados                             







miservo.write(angulo);                 //  manda al servo la posicion





delay(15);                          //  espera unos milisegundos para que el servo llegue a su posicion





}







}

- al inicio

imagenes de como se gira el servomotor.

Unidad 3 Microcontroladores.

3.1 Características generales

Los microcontroladores son diseñados para reducir el costo económico y el consumo de energía de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la unidad central de procesamiento, la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la aplicación. El control de un electrodoméstico sencillo como una batidora utilizará un procesador muy pequeño (4 u 8 bits) porque sustituirá a un autómata finito. En cambio, un reproductor de música y/o vídeo digital (MP3 o MP4) requerirá de un procesador de 32 bits o de 64 bits y de uno o más códecs de señal digital (audio y/o vídeo). El control de un sistema de frenos ABS (Antilock Brake System) se basa normalmente en un microcontrolador de 16 bits, al igual que el sistema de control electrónico del motor en un automóvil. Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los chips de computadoras vendidos, sobre un 50% son controladores "simples" y el restante corresponde aDSP más especializados. Mientras se pueden tener uno o dos microprocesadores de propósito general en casa (Ud. está usando uno para esto), usted tiene distribuidos seguramente entre los electrodomésticos de su hogar una o dos docenas de microcontroladores. Pueden encontrarse en casi cualquier dispositivo electrónico como automóviles, lavadoras, hornos microondas,teléfonos, etc. Un microcontrolador difiere de una unidad central de procesamiento normal, debido a que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de circuitos integrados externos de apoyo. La idea es que el circuito integrado se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no le permitirá hacer esto, ya que espera que todas estas tareas sean manejadas por otros chips. Hay que agregarle los módulos de entrada y salida (puertos) y la memoria para almacenamiento de información.

3.1.1 Introducción 

Un microcontrolador (abreviado μC, UC o 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 y periféricos de entrada/salid.

3.1.2 Familias

3.1.3 Ancho de buses

 Los tres anchos de bus mas utilizados en microcontroladores son: 

• Microcontroladores de 8-bits 
• Microcontroladores de 16-bits 
• Microcontroladores de 32-bits El ancho de bus es la cantidad de bits en la que se maneja cada instrucción, como vimos en ensamblador esta capacidad tiene que ver directamente con la longitud de palabra de una instrucción del procesador y operaciones que pueden ser soportadas por este. 

3.1.4 Memoria 

Anteriormente habíamos visto que la memoria en los microcontroladores debe estar ubicada dentro del mismo encapsulado, esto es así la mayoría de las veces, porque la idea fundamental es mantener el grueso de los circuitos del sistema dentro de un solo integrado. En los microcontroladores la memoria no es abundante, aquí no encontrará Gigabytes de memoria como en las computadoras personales. Típicamente la memoria de programas no excederá de 16 K-localizaciones de memoria no volátil (flash o eprom) para contener los programas. La memoria RAM está destinada al almacenamiento de información temporal que será utilizada por el procesador para realizar cálculos u otro tipo de operaciones lógicas. En el espacio de direcciones de memoria RAM se ubican además los registros de trabajo del procesador y los de configuración y trabajo de los distintos periféricos del microcontrolador. Es por ello que en la mayoría de los casos, aunque se tenga un espacio de direcciones de un tamaño determinado, la cantidad de memoria RAM de que dispone el programador para almacenar sus datos es menor que la que puede direccionar el procesador. El tipo de memoria utilizada en las memorias RAM de los microcontroladores es SRAM, lo que evita tener que implementar sistemas de refrescamiento como en el caso de las computadoras personales, que utilizan gran cantidad de memoria, típicamente alguna tecnología DRAM. A pesar de que la memoria SRAM es más costosa que la DRAM, es el tipo adecuado para los microcontroladores porque éstos poseen pequeñas cantidades de memoria RAM.

3.2 Circuitería alternativa para entrada/salida

También conocidos como puertos de E/S, generalmente agrupadas en puertos de 8 bits de longitud, permiten leer datos del exterior o escribir en ellos desde el interior del microcontrolador, el destino habitual es el trabajo con dispositivos simples como relés, LED, o cualquier otra cosa que se le ocurra al programador. Algunos puertos de E/S tienen características especiales que le permiten manejar salidas con determinados requerimientos de corriente, o incorporan mecanismos especiales de interrupción para el procesador. Típicamente cualquier pin de E/S puede ser considerada E/S de propósito general, pero como los microcontroladores no pueden tener infinitos pines, ni siquiera todos los pines que queramos, las E/S de propósito general comparten los pines con otros periféricos. Para usar un pin con cualquiera de las características a él asignadas debemos configurarlo mediante los registros destinados a ellos. Un sistema empotrado suele tener tres tipos diferentes de entrada: Módulos de adquisición de datos (sensores). Entrada de interfaz con el usuario (botones, interruptores, ruedas). Comunicación con sistemas externos (entrada/salida). • La comunicación con sistemas externos se realizará mediante alguno de los sistemas de comunicación que implementan los PIC (USART). No vamos a entrar en detalles. • Para el resto de entradas vamos a ver los esquemas de conexionado de las entradas más habituales hacia un microcontrolador PIC:  Interruptores.  Teclados.  Potenciómetros.  Sensores. 

3.2.1 Generalidades 

Origen En 1969, ingenieros de la compañía japonesa BUSICOM, buscan soluciones para fabricar con pocos componentes sus dispositivos (calculadoras), esta proposición se le hizo a INTEL quien en un proyecto dirigido por Marcian Hoff y apoyado por Federico Faggin, logro fabricar un bloque integrado denominado “microprocesador” adquiriendo los derechos de la compañía BUSICOM y entregando al mercado en 1971 el primer microprocesador el 4004 de 4 bits. Como ya se ha mencionado le siguieron el i8008, i8080, el Motorola 6800, Z80, i8085. En 1976 aparece en el mercado un nuevo dispositivo que incorpora una CPU, memoria RAM - ROM y puertos de I/O, este dispositivo es llamado “microcontrolador” que son microcomputadoras en un solo chip, dos de los mas representativos y primeros microcontroladores fueron: · Intel 8048, con arquitectura Harvard modificada con programa ROM en el mismo chip, RAM de 64 a 256 bytes e interfaz I/O (entrada/salida). · Motorola 6805R2. En la década de los 80’s comienza la ruptura de desarrollo y evolución tecnológico entre microprocesadores y microcontroladores. Los microprocesadores han evolucionado buscando la solución al manejo de grandes volúmenes de información, mientras los microcontroladores incorporan unidades funcionales con capacidades superiores de interacción con el medio físico en tiempo real, un mejor desempeño y robustez en aplicaciones industriales. En los años posteriores apareces nuevos microcontroladores que son utilizados generalmente para controlar dispositivos periféricos de computadores y algunas aplicaciones de control particulares.

Unidad 4 Programación de microcontroladores

Modelo de programación

Suelen utilizarse en aplicaciones sencillas o en la planificación de rutinas en las que se divide una aplicación más compleja.

Organigramas

p Salidas:

Respuesta del sistema ante los cambios en las entradas.

q Funciones de transición de estado:

Descripción detallada, para cada estado, de cuál es el siguiente estado y la salida del sistema, cuando se producen las distintas entradas.

Máquina de estados finita (FSM)

Tabla de transiciones

Problema: ¿Cuándo y cómo deben consultarse las entradas?

Generación de eventos (atención a las entradas):

Consulta de la llegada de eventos en cierto espacio de memoria reservado.

Cuando ocurre un evento, “alguien” deja una señal en el espacio de memoria reservado (modifica un flag, una variable, etc.). Una vez atendido el evento, se desactiva la señal correspondiente.

Alternativas en la detección de eventos:

n Rutina de atención a una interrupción:

Se trata de una rutina asociada a la entrada en cuestión, la que coloca la señal en el espacio de memoria reservado, cada vez que se active dicha entrada.

Alternativas en la detección de eventos:

o Rutina de interrupción de un reloj:

Se trata de una interrupción periódica que se ejecuta cada cierto tiempo (ej. 20ms) y se encarga de consultar si alguna entrada está activa. En caso de que así sea, coloca dicho evento en la memoria reservada, para que el programa principal proceda según convenga.

Registro

Son un espacio de memoria muy reducido pero necesario para cualquier microprocesador, de aquí se toman los datos para varias operaciones que debe realizar el resto de los circuitos del procesador. 

FUNCIÓN DEL REGISTRO

Los registros sirven para almacenar los resultados de la ejecución de instrucciones, cargar datos desde la memoria externa o almacenarlos en ella.

Registros SFR

Cada microcontrolador dispone de un número de registros de funciones especiales (SFR), con funciones predeterminadas por el fabricante. Están conectados a los circuitos internos del microcontrolador como temporizadores, convertidores, osciladores etc. lo que significa que directamente manejan el funcionamiento de estos circuitos, o sea del microcontrolador. 

En otras palabras, el estado de los bits de registros se fija dentro de programa, los registros SFR dirigen los pequeños circuitos dentro del microcontrolador, estos circuitos se conectan por los pines del micro a los dispositivo periféricos

Registros básicos

1-Contador de programa (PC)

2-Registro de direcciones de la memoria (MAR)

3-Registros de Datos (RD)

4-Registros de Instrucciones (RI)

5-Palabras de estado de Programa (PSW)

Contador de programa (PC)

La función del PC consiste en seguir la pista de la instrucción por buscar en el siguiente ciclo de maquina, por lo tanto contiene la dirección de la siguiente instrucción por ejecutar. El numero que se agrega al PC es la longitud de una instrucción en palabras. 

Registro de direcciones de la memoria (MAR)

Funciona como registro de enlace entre la CPU y el canal de direcciones. Cuando se logra el acceso a la memoria la dirección es colocada en el MAR por la unidad de control y ahí permanece hasta que se completa la transacción. 

Registros de Datos (RD)

La función del RD consiste en proporcionar un área de almacenamiento temporal de datos que se intercambian entre la PCU y la memoria. Los datos pueden ser instrucciones o datos del operando. Contiene el mismo numero de bit que dicho canal.

Registros de Instrucciones (IR)

Es un registro que conserva el código de operación de la instrucción en todo el ciclo de la maquina. El código es empleado por la unidad de control de la CPU para generar las señales apropiadas que controla le ejecución de la instrucción. La longitud del IR es la longitud en bit del código de operación.

Palabras de estado de Programa (PSW)

La palabra de estado o condición de programa almacena información pertinente sobre el programa que este ejecutándose. Por ejemplo al completarse una función de la unidad aritmética lógica se modifica un conjunto de bit llamados códigos (o señales de condición).

Lenguajes de programación

El micro controlador ejecuta el programa cargado en la memoria Flash. Esto se denomina el código ejecutable y está compuesto por una serie de ceros y unos, aparentemente sin significado. Dependiendo de la arquitectura del micro controlador, el código binario está compuesto por palabras de 12, 14 o 16 bits de anchura.

Ensamblador

Implementa una representación simbólica de los códigos de máquina binarios y otras constantes necesarias para programar una arquitectura dada de CPU y constituye la representación más directa del código máquina específico para cada arquitectura legible por un programador. 

Para programar en un determinado micro controlador necesitamos conocer las instrucciones para generar el código fuente para posteriormente compilarlo, emular el programa y poder grabarlo para implementarlo en el circuito correspondiente.

Ventajas

Permite desarrollar programas muy eficientes

Hace uso eficiente de los recursos

Se tiene control sobre el tiempo de ejecución sobre las instrucciones

La programación es costosa y muy difícil de modificar.

Alto nivel

En lenguajes de programación de alto nivel varias instrucciones en ensamblador se sustituyen por una sentencia. El programador ya no tiene que conocer el conjunto de instrucciones o características del hardware del micro controlador utilizado. Ya no es posible conocer exactamente cómo se ejecuta cada sentencia, de todas formas ya no importa. Aunque siempre se puede insertar en el programa una secuencia escrita en ensamblador.

Ventajas

Desarrollo de aplicaciones mas rápido

Mantenimiento de la aplicación menos costoso

Menor tiempo de desarrollo

Desventajas

Código menos eficiente

Mayor ocupación del espacio de memoria

Unidad 5: Puertos y buses de comunicación para microcontroladores

5.1 Tipos de puertos

PUERTOS DE ENTRADA / SALIDA EN UN MICROCONTROLADOR Cualquier aplicación de un sistema digital basado en un microprocesador o microcontrolador requiere la transferencia de datos entre circuitos externos al microprocesador y él mismo. Estas transferencias constituyen las operaciones llamadas

ENTRADA y SALIDA, (input /output ) o ES ( I/O). Los puertos de entrada/salida son básicamente registros externos o internos. Algunos microprocesadores proporcionan señales de control que permiten que los registros externos que forman los puertos de E/S ocupen un espacio de direcciones separada, es decir, distinto del espacio de direcciones de los registros externos que componen la memoria. Cuando los puertos tienen asignado un espacio de direcciones separado, se dice que están en modo.

ENTRADA/SALIDA AISLADA o E/S ESTÁNDAR. Por el contrario, cuando se ubican dentro del mismo espacio que la memoria, se dice que están en modo de ENTRADA/SALIDA MAPEADA A MEMORIA o

PROYECTADA EN MEMORIA. ENTRADA/SALIDA AISLADA.- Para que un microprocesador pueda implementar el modo E/S aislada (isolated I/O) son indispensables las siguientes condiciones:

 1.- El microprocesador debe proporcionar señales de control que permitan distinguir entre una operación con un puerto y una referencia a memoria.

 2.- El código de instrucciones debe tener instrucciones especiales con las que se pueda leer (entrada) o escribir (salida) en los puertos.

ENTRADA/SALIDA MAPEADA.- El modo de E/S mapeada a memoria (Memory mapped I/O) se basa en que tanto las localidades de memoria como los puertos de E/S se consideran como registros externos desde el punto de vista del microprocesador. Entonces, las instrucciones que hacen referencia a la memoria también pueden transferir datos entre un dispositivo periférico y el microprocesador, siempre y cuando el puerto de E/S que los interconecta se encuentre dentro del espacio de direccionamiento de memoria, es decir, controlado por las señales de control para memoria. De esta forma, el registro asociado con el puerto de E/S es tratado simplemente como una localidad de memoria más.

PUERTOS DEL MICROCONTROLADOR 8051 La operación de escritura, utilizando los puertos puede ser realizada por cualquiera de ellos, no obstante, el puerto PO es el que presenta una mayor cargabilidad, permitiendo comandar ocho cargas TTL - LS, mientras que los otros tres permiten cuatro cargas TTL – LS. Para comandar cargas de mayor consumo energético, como relés, se recomienda utilizar, entre el puerto y la carga drivers no inversores. Para la operación de ESCRITURA en el puerto, la instrucción más habitual es la siguiente: MOV PX , ; PX<- dato.

Puertos de comunicación

Con objeto de dotar al microcontrolador de la posibilidad de comunicarse con otros dispositivos externos, otros buses de microprocesadores, buses de sistemas, buses de redes y poder adaptarlos con otros elementos bajo otras normas y protocolos. Algunos modelos disponen de recursos que permiten directamente esta tarea, entre los que destacan:

UART, adaptador de comunicación serie asíncrona.

USART, adaptador de comunicación serie síncrona y asíncrona

Puerta paralela esclava para poder conectarse con los buses de otros microprocesadores.

USB (Universal Serial Bus), que es un moderno bus serie para los PC.

Bus I2C, que es un interfaz serie de dos hilos desarrollado por Philips.

CAN (Controller Area Network), para permitir la adaptación con redes de conexionado multiplexado desarrollado conjuntamente por Bosch e Intel para el cableado de dispositivos en automóviles. En EE.UU. se usa el J185O.

1.8 Herramientas para el desarrollo de aplicaciones.

Uno de los factores que más importancia tiene a la hora de seleccionar un microcontrolador entre todos los demás es el soporte tanto software como hardware de que dispone. Un buen conjunto de herramientas de desarrollo puede ser decisivo en la elección, ya que pueden suponer una ayuda inestimable en el desarrollo del proyecto.

5.2 Programación de puertos.

u  Programación por puerto serial

u  Programación por puerto paralelo

Las principales herramientas de ayuda al desarrollo de sistemas basados en microcontroladores son:

u  Ensamblador. Los fabricantes suelen proporcionar el programa ensamblador de forma gratuita y en cualquier caso siempre se puede encontrar una versión gratuita para los microcontroladores más populares.

u  Compilador. Las versiones más potentes suelen ser muy caras, aunque para los microcontroladores más populares pueden encontrarse versiones demo limitadas e incluso compiladores gratuitos.

u  Depuración: Debido a que los microcontroladores van a controlar dispositivos físicos, los desarrolladores necesitan herramientas que les permitan comprobar el buen funcionamiento del microcontrolador cuando es conectado al resto de circuitos.

u  Simulador. Son capaces de ejecutar en un PC programas realizados para el microcontrolador. Los simuladores permiten tener un control absoluto sobre la ejecución de un programa, siendo ideal es para la depuración de los mismos.

u  Placas de evaluación. Se trata de pequeños sistemas con un microcontrolador ya montado y que suelen conectarse a un PC desde el que se cargan los programas que se ejecutan en el microcontrolador. Las placas suelen incluir visualizadores LCD, teclados, LEDs, fácil acceso a los pines de E/S, etc.

u  Emuladores en circuito. Se trata de un instrumento que se coloca entre el PC anfitrión y el zócalo de la tarjeta de circuito impreso donde se alojará el microcontrolador definitivo. El programa es ejecutado desde el PC, pero para la tarjeta de aplicación es como si lo hiciese el mismo microcontrolador que luego irá en el zócalo.

5.3 Aplicaciones de puertos

OPERACIÓN DE LECTURA EN LOS PUERTOS DEL MICROCONTROLADOR 8051.

La operación de lectura o de adquisición de datos no representa ningún tipo de problema; solamente se deberá cambiar el orden de los operandos en la instrucción respecto a la de escritura.

Para la operación de lectura, el formato de la instrucción más habitual es el siguiente: MOV ,PX ; dato <- PX Los siguientes diagramas muestran cómo se puede introducir un dato a los puertos para que sirvan de interface.

5.4 Estándares de buses

PC/104 se lanzó en 1992, acercando la tecnología PC a las aplicaciones de control industrial. El estándar PC/104 usa el bus ISA como un bus portador en el sistema, sobre el que las unidades se interconectan, semejante al estándar plug-in o las tarjetas de expansión de la época. En 1994 el estándar se amplió para incluir el bus PCI y especificó el PC/104 Plus como el estándar. En el estándar PC/104 Plus, tanto el bus ISA como el bus PCI se declaran como buses portadores en el sistema y, por lo tanto, disponibles para la expansión del sistema. Ambos sistemas de conectores ocupan alrededor del 30% del área de la tarjeta.

La creciente complejidad de las tarjetas y el énfasis en el bus PCI condujo en el año 2004 a que el uso de PC/104 con bus ISA comenzara a utilizarse en menor medida frente al uso del estándar PC/104 Plus. Para aplicaciones en las que el bus ISA es necesario, están disponibles las tarjetas que hacen de puente entre PCI e ISA y por tanto permite el uso de expansiones o tarjetas ISA en soluciones PCI- 104. Existen numerosos desarrollos en el mercado, dentro de áreas tan diferentes como máquinas herramientas, control de sistemas de riego o aplicaciones militares. Por este motivo, el estándar PC/104 sigue manteniendo, gracias a su robustez, una parte alta del mercado embedded.

Más de 100 fabricantes de tarjetas respaldan actualmente el estándar PC/104 y ofrecen una solución para casi cada aplicación. En comparación con otras soluciones, el estándar PC/104 es un estándar real y de ese modo permite el intercambio seguro de tarjetas de diferentes fabricantes, asegurando una disponibilidad a largo tiempo.

5.5 Manejo del bus

Selección del Bus

Con el objetivo de solucionar los problemas antes mencionados y de poder reusar nuestros diseños así como también usar diseños realizados por otros grupos adoptamos el estándar de interconexión Wishbone.

Con el objetivo de solucionar los problemas antes mencionados y de poder reusar nuestros diseños así como también usar diseños realizados por otros grupos adoptamos el estándar de interconexión Wishbone.

En una primera aproximación creamos un bus de expansión específicamente creado para el microcontrolador. Esto tiene importantes desventajas, entre ellas:

− Para conectar periféricos creados por otros grupos de trabajo es necesario adaptarlos a la señalización del bus en cuestión.

− Periféricos diseñados para ese bus no servían para ser usados en otros diseños con buses de otro tamaño. Por ejemplo: no servían para un bus de 16 o 32 bits sin ser adaptados.

5.6 Aplicaciones de buses

Bus de Direcciones: Este es un bus unidireccional debido a que la información fluye es una sola dirección, de la CPU a la memoria ó a los elementos de entrada y salida. La CPU sola puede colocar niveles lógicos en las n líneas de dirección, con la cual se genera 2n posibles direcciones diferentes. Cada una de estas direcciones corresponde a una localidad de la memoria ó dispositivo de E / S. Los microprocesadores 8086 y 8088 usados en los primeros computadores personales (PC) podían direccionar hasta 1 megabyte de memoria (1.048.576 bytes). Es necesario contar con 20 líneas de dirección. Para poder manejar más de 1 megabyte de memoria , en los computadores AT (con procesadores 80286) se utilizó un bus de direcciones de 24 bits, permitiendo así direccionar hasta 16 MB de memoria RAM (16.777.216 bytes). En la actualidad los procesadores 80386DX pueden direccionar directamente 4 gigabytes de memoria principal y el procesador 80486DX hasta 64 GB.

Bus de Datos: Este es un bus bidireccional, pues los datos pueden fluir hacia ó desde la CPU. Los m terminales de la CPU, de D0 - Dm-1 , pueden ser entradas ó salidas, según la operación que se esté realizando ( lectura ó escritura ) . en todos los casos, las palabras de datos transmitidas tiene m bits de longitud debido a que la CPU maneja palabras de datos de m bits; del número de bits del bus de datos, depende la clasificación del microprocesador.

En algunos microprocesadores, el bus de datos se usa para transmitir otra información además de los datos (por ejemplo, bits de dirección ó información de condiciones). Es decir, el bus de datos es compartido en el tiempo ó multiplexado. En general se adoptó 8 bits como ancho estándar para el bus de datos de los primeros computadores PC y XT. Usualmente el computador transmite un carácter por cada pulsación de reloj que controla el bus (bus clock), el cual deriva sus pulsaciones del reloj del sistema (system clock). Algunos computadores lentos necesitan hasta dos pulsaciones de reloj para transmitir un carácter. Los computadores con procesador 80286 usan un bus de datos de 16 bits de ancho, lo cual permite la comunicación de dos caracteres o bytes a la vez por cada pulsación de reloj en el bus. Los procesadores 80386 y 80486 usan buses de 32 bits. El PENTIUM de Intel utiliza bus externo de datos de 64 bits, y uno de 32 bits interno en el microprocesador.

Bus de Control: Este conjunto de señales se usa para sincronizar las actividades y transacciones con los periféricos del sistema. Algunas de estas señales, como R / W , son señales que la CPU envía para indicar que tipo de operación se espera en ese momento. Los periféricos también pueden remitir señales de control a la CPU, como son INT, RESET, BUS RQ.

Las señales más importantes en el bus de control son las señales de cronómetro, que generan los intervalos de tiempo durante los cuales se realizan las operaciones. Este tipo de señales depende directamente del tipo del microprocesador.

5.7 Comunicación

Un conversor ADC puede convertir un voltaje en un numero binario digital. Los conversores A/D son utilizados en cualquier lugar donde sea necesario procesar una señal, almacenarla o transportarla en forma digital.

La resolución del conversor indica el número de valores discretos que se pueden obtener dependiendo del rango del voltaje de entrada. Usualmente es expresado en bits. Los microcontroladores típicamente traen incorporado conversores de 8, 10, 12 o 16 bits. Por ejemplo un ADC que codifica una señal análoga de 256 valores discretos (0..255) tiene una resolución de 8 bits, ya que 2^8 = 256.

La resolución también puede ser definida en términos eléctricos, y expresada en volts. La resolución de un ADC es igual al mayor voltaje que se pueda medir dividido por el número de valores discretos, por ejemplo: Para un rango de medida entre 0 y 10 volts

Resolución del ADC = 12 bits: 2^12 = 4096 niveles de cuantización resolución del ADC en volts: (10-0)/4096 = 0.00244 volts = 2.44 mV

Unidad 6:Interfaces

 6.1 CONCEPTOS BÁSICOS Y CLASIFICACIÓN. 6.2 MÓDULOS DE ADQUISICIÓN DE DATOS.

6.1 CONCEPTOS BASICOS Y CLASIFICACION

Gui Bonsiepe (1998) menciona que existe un agente social que quiere cumplir una acción, la cual es en sí una tarea porque hay un objetivo particular involucrado; así, el usuario necesita un artefacto para ejecutar dicha tarea. Todo el proceso puede ser visto como una unidad compuesta en tres elementos heterogéneos: el usuario, el objetivo de una acción y un artefacto. Luego, según comenta, la conexión de estos tres elementos puede ser establecida únicamente vía una interfaz. La interfaz no es un objeto, es una espacio en el cual recae la interacción entre el cuerpo humano, la herramienta y el objetivo de acción (Bonsiepe, 1998).

Bradford17 mantiene que la interfaz se define como “cualquier parte del sistema con la que el usuario pueda comunicarse, sea a nivel físico, conceptual o de percepción”.

Según su función

Según la función de la interfaz tenemos:

Sistemas vitales:

tienen un carácter de vida o muerte en sentido literal_ muchas personas depende de ellos. Un buen ejemplo es un sistema de gestión para reactores nucleares. Este sistema trabaja en tiempo real, y su seguridad, efectividad y fiabilidad es de suma importancia.

Sistemas comerciales e industriales:

El objetivo que prima es aumentar la productividad de los usuarios.

Sistemas de oficina, domésticos y de ocio: El factor más importante es el mercado a que está dirigido; tienen que ser muy amigables y satisfacer al cliente.

Sistemas de investigación:

Realizan tareas muy específicas y tratan de imitar el medio en el que se desenvuelve el usuario.

De esta clasificación general se puede ir desprendiendo algunas, así por ejemplo según su evolución tenemos:

La evolución de las interfaces de usuario corre en paralelo con la de los sistemas operativos; de hecho, la interfaz constituye actualmente uno de los principales elementos de un sistema operativo. A continuación se muestran las distintas interfaces que históricamente han ido apareciendo, ejemplificándolas con las sucesivas versiones de los sistemas operativos más populares.

CLASIFICACION Y DIFERENCIAS

Interfaces de línea de mandatos (command-line user interfaces, CUIs).

Inconveniente:

carga de memoria del usuario (debe memorizar los mandatos; incluso la ayuda es difícil de leer); nombres no siempre adecuados a las funciones, significado de los mandatos mal comprendido a veces (varios mandatos con el mismo o parecido significado, como DEL y ERASE); inflexible en los nombres (DEL y no DELETE).

Interfaces

Conexión e interacción entre hardware, software y el usuario. El diseño y construcción de interfaces constituye una parte principal del trabajo de los ingenieros, programadores y consultores. Los usuarios “conversan” con el software. El software “conversa” con el hardware y otro software. El hardware “conversa” con otro hardware. Todo este “diálogo” no es más que el uso de interfaces. Las interfaces deben diseñarse, desarrollarse, probarse y rediseñarse; y con cada encarnación nace una nueva especificación que puede convertirse en un estándar más, de hecho o regulado.

 6.1 Conceptos básicos y clasificación 

• Interfaz: dispositivo electrónico que se conecta entre el PC y los elementos a ser controlados (actuadores, interruptores, pulsadores, relés, circuitos, motores, etc.). Su misión es garantizar el correcto aislamiento eléctrico entre los puertos del PC y los dispositivos externos. 
• Bus: Normalmente se refiere al conjunto de señales con las que se comunica el microprocesador con el entorno: memoria o periféricos (a través de las interfaces). 

6.2 Módulos de adquisición de datos 

La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otras electrónicas (sistema digital). Consiste, en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan procesar en una computadora o PAC. Se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ). 

6.3 Diseño y aplicación de interfaces 

En general se utiliza este tipo de lenguaje para programar controladores (drivers). Ventajas: Mayor adaptación al equipo. Posibilidad de obtener la máxima velocidad con mínimo uso de memoria. Inconvenientes: Imposibilidad de escribir código independiente de la máquina. Mayor dificultad en la programación y en la comprensión de los programas. El programador debe conocer más de un centenar de instrucciones. Es necesario conocer en detalle la arquitectura de la máquina. Aplicación: Actualmente la tecnología y el trabajo humano está íntimamente relacionada con las computadoras; como lo es el diseño gráfico, la redacción, el control de instrumentos y maquinaria, las comunicaciones, etc. Dependiendo de la aplicación dada a una computadora son las interfaces que se le instalan. Como en diseño gráfico, los periféricos necesarios son la cámara digital, impresora, mouse, tableta digitalizadora; entre otros. El desarrollo de la computadora va ligado al de sus periféricos. Para toda aplicación de la computadora, el dispositivo en común es el mouse. El mouse se ha utilizado comercialmente desde principios de los años80 como una herramienta de trabajo auxiliar con la computadora. 

6.3.1 Hombre-máquina 

En términos generales, una interfaz es el punto, el área, o la superficie a lo largo de la cual dos cosas de naturaleza distinta convergen. Por extensión, se denomina interfaz a cualquier medio que permita la interconexión de dos procesos diferenciados con un único propósito común. En software, una interfaz de usuario es la parte del programa informático que permite el flujo de información entre varias aplicaciones o entre el propio programa y el usuario. Metafóricamente se entiende la Interfaz como conversación entre el usuario y el sistema (o entre el usuario y el diseñador): durante muchos años se vio a la interacción como un diálogo hombre-máquina (para trabajar con una interfaz alfanumérica era necesario conocer el "lenguaje" de la máquina). 

6.3.2 Máquina-Máquina

M2M (Machine to Machine o Máquina a Máquina) es un concepto genérico que se refiere al intercambio de información ocomunicación en formato de datos entre dos máquinas remotas. Elementos fundamentales Los elementos fundamentales que aparecen en todos los entornos M2M son los siguientes: 

• Máquinas que gestionar: Gestión de flotas, Alarmas domésticas, TPV(Terminal Punto de Venta), Contadores de agua/gas/ electricidad, paneles informativos en carreteras, máquinas vending, telemantenimiento de ascensores, estaciones meteorológicas.
• Dispositivo M2M: módulo conectado a una máquina remota y que provee de comunicación con el servidor. Usualmente, el dispositivo M2M también consta de capacidad de proceso donde se ejecuta la aplicación de negocio. Por una parte implementa el protocolo para poder comunicarse con la máquina y por otra parte implementa el protocolo de comunicación para el envío de información. 
• Servidor: Ordenador que gestiona el envío y recepción de información de las máquinas que gestiona. Habitualmente está integrado además con el core business de la empresa (ERP, Mapas GIS de trazabilidad de flotas de camiones, Sistema de pedidos, Centrales receptoras de alarmas, Helpdesk) de modo que la información recibida por el Servidor pasa a ser parte crítica del negocio. 
• Red de comunicación: pueden ser de dos naturalezas principalmente, a través de cable: PLC, Ethernet, RTC, RDSI, ADSL … o bien a través de redes inalámbricas: GSM/UMTS/HSDPA, Wifi, Bluetooth, RFID, Zigbee, UWB.

Proyecto sistema solar 

Introducción

El presente proyecto de la representación  del sistema solar, tiene como propósito aplicarlo a niños de preescolar y primaria para que vayan conociendo los nombres y las características de los planetas que forman parte del sistema solar, así  facilitarles el aprendizaje sobre este tema ya que hay niños que se les dificulta memorizar o aprender un orden en específico de las cosas, y se vuelve más complicado cuando no cuentan con las herramientas necesarias para el desarrollo de sus actividades, pretendiendo desarrollar sus habilidades comunicativas desde un tema que les genera interés apoyándose de la tecnología.

Objetivo General

Realizar una representación del sistema solar, utilizando arduino y processing donde por medio del sensor ultrasónico medirá la distancia y se visualizara de forma gráfica la información de dichos planetas.

Marco teórico

Arduino

Arduino es un sistema digital programable con un micro-controlador con el propósito de facilitar la parte electrónica en el desarrollo de diferentes proyectos. Con el que Arduino trabaja es fácil de aprender y utilizar, así como el lenguaje de programación es sencillo, ya que el público clave de este sistema es aquellos con conocimientos básicos en el ámbito electrónico para el desarrollo de objetos o entornos interactivos. La forma en el que el sistema trabaja es mediante la recepción de datos a través de sus pines, los cuales pueden ser conectados una gran cantidad de sensores, y puede devolver el manejo de luces, motores u otros actuadores. Los entornos desarrollados en el sistema pueden ejecutarse sin la necesidad de estar conectado a una computadora, obteniendo la corriente de voltaje por tanto corriente alterna como directa.

Processing

Processing es un lenguaje de programación y entorno de desarrollo integrado de código abierto basado en Java, de fácil utilización, y que sirve como medio para la enseñanza y producción de proyectos multimedia e interactivos de diseño digital.

Processing es un contexto para explorar el espacio conceptual emergente que nos entregan los medios electrónicos. Es un entorno para aprender los fundamentos de la programación informática dentro del contexto de las artes electrónicas y es un bloc de notas electrónicas para desarrollar ideas. El entorno de Processing es el más fácil compilador de Java / entorno de programación multimedia y gráfico conocido por el hombre. El sistema puede ser usado para producir piezas que arrancan localmente, como también Applets de java incrustados en la web. Deliberadamente, el programa está diseñado para hacer un puente entre la programación gráfica educacional, y el java "real".

Sensor ultrasónico

Es un sensor ultrasónico de distancia compatible con Arduino. Básicamente, este sensor puede detectar objetos, distancia o nivel en un rango mínimo de 2 cm a un máximo de 400 cm. Se puede utilizar, por ejemplo, para diferente tipos de proyectos como lo son alarmas de proximidad, medir niveles de agua de un tinaco o cualquier otro objeto que almacene algún tipo de líquidos. Se requiere de una superficie lisa y perpendicular a la dirección de propagación del sensor. El sensor HC-SR04  se alimenta con 5 volts de hecho, lo hace ideal para trabajar con Arduino, en realidad, con cualquier procesador lógico que funcione a 5V. 

Conexión

Aquí se observa la conexión de arduino para la ejecución del código del sensor ultrasónico y así proporcionar las distancias.

Elaboración de maquetas

Se llevó a cabo la realización de una plataforma de madera, la cual se pintó y se decoró, tomando en cuenta los rangos establecidos en el programa de arduino ya que por medio de esta plataforma simulaba ser el espacio con un rango de 25.5cm entre cada planeta.

               

      

Maqueta terminada

Se observa la maqueta terminada del sistema solar, donde al subir a dicha plataforma y pisar cada barra del planeta obtenía el rango de la distancia en que se encontraba reflejando en processing una breve descripción de dicho planeta.