electrònics Dispositius - playmodes.com · que tracta de l'estudi dels electrons i de les seves...

Dispositiuselectrnics Santiago Vilanova ngeles PID_00184737

CC-BY-NC-ND PID_00184737 Dispositius electrnics

Els textos i imatges publicats en aquesta obra estan subjectes llevat que s'indiqui el contrari a una llicncia de Reconeixement-NoComercial-SenseObraDerivada (BY-NC-ND) v.3.0 Espanya de Creative Commons. Podeu copiar-los, distribuir-los i transmetre'lspblicament sempre que en citeu l'autor i la font (FUOC. Fundaci per a la Universitat Oberta de Catalunya), no en feu un scomercial i no en feu obra derivada. La llicncia completa es pot consultar a http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/legalcode.ca

http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/es/legalcode.ca


ndex

Introducci.................................................................................................. 5

Objectius....................................................................................................... 7

1. Conceptes terics................................................................................ 9

1.1. Breu introducci a la electrnica ................................................ 9

1.1.1. DC/AC ............................................................................ 9

1.1.2. Intensitat, voltatge i resistncia. Llei d'Ohm ................. 10

1.1.3. Resistncies .................................................................... 10

1.1.4. Resistncies variables ..................................................... 11

1.1.5. Condensadors ................................................................ 12

1.1.6. Dodes ............................................................................ 12

1.1.7. Leds ................................................................................ 13

1.1.8. Transistors ...................................................................... 13

1.1.9. Rels ............................................................................... 14

1.1.10. IC (Integrated Circuit) ................................................... 14

1.1.11. PCB (printed circuit board) .............................................. 15

1.1.12. Esquemtiques ............................................................... 15

2. Les eines................................................................................................ 17

2.1. Arduino ........................................................................................ 17

2.2. Sensors ......................................................................................... 19

2.3. Actuadors ..................................................................................... 21

2.4. Components electrnics ............................................................. 22

2.5. Cablejat i estany ......................................................................... 22

2.6. Soldador ....................................................................................... 22

2.7. Protoboard...................................................................................... 22

2.8. Perfboard........................................................................................ 23

3. Dissenyant interaccions amb arduino......................................... 24

3.1. Utilitzaci del protoboard.............................................................. 24

3.2. Microprogramari o firmware......................................................... 24

3.3. Lectura d'un sensor analgic ...................................................... 24

3.4. Lectura d'un sensor digital .......................................................... 24

3.5. Connexi d'un actuador digital .................................................. 25

3.6. Connexi d'un actuador analgic .............................................. 25

3.7. Comunicaci serial ...................................................................... 25

4. Ms enll. Recursos i bibliografia especfica.............................. 27

4.1. Xbee ............................................................................................. 27

4.2. Eagle i Fritzing ............................................................................ 27


4.3. Robtica ....................................................................................... 27

4.4. Bibliografia .................................................................................. 28

CC-BY-NC-ND PID_00184737 5 Dispositius electrnics

Introducci

Una rea molt extensa dins el camp del disseny d'interaccions s la del pro-

totipatge i disseny de circuits i artefactes electrnics. Amb l's de xarxes de

sensors i actuadors regulats per microcontroladors digitals es poden dissenyar

interaccions basades en les dades rebudes pels sensors (d'humitat, de tempe-

ratura, de proximitat, de pressi, de flexi...). Aquestes dades recopilades pels

sensors i interpretades pels microxips digitals poden, al seu torn, incidir en

l'activaci d'altres components electrnics com ara motors, pistons electro-

magntics, leds, etc. I donar lloc a un sistema interactiu electrnic autnom.

De la mateixa manera que amb els actuadors, les dades provinents dels sensors

es poden convertir en dades digitals que administrin un sistema de programari

i que donin lloc a distints events controlables mitjanant ordinadors (dispara-

ments d'udio, de so, connexions a Internet...).

Observeu l'esquema que trobareu a continuaci per tal d'entendre algunes de

les possibilitats de connectivitat d'aquests sistemes electrnics sumats a un

sistema informtic:

Al llarg d'aquest modul estudiarem les distintes estratgies aplicables al dis-

seny d'interaccions basades en sistemes electrnics. Prendrem com a platafor-

ma d'estudi el sistema Arduino, una plataforma d'Open Hardware que ha su-

posat una revoluci en el camp de les tecnologies DIY (fes-t'ho tu mateix). Es

tracta d'una placa amb un microxip senzill per alhora fcil d'utilitzar i amb

moltes possibilitats. Utilitzant sensors o actuadors juntament amb Arduino es

poden fer prototips interactius de manera econmica i efica. Ha estat grcies

a la seva facilitat d's i al gran nombre d'usuaris que s'hi ha bolcat a Internet,

creant una comunitat oberta de persones que intercanvien coneixements en


forma d'esquemes i diagrames electrnics, codis de programari i estratgies de

comunicaci, que Arduino ha esdevingut una de les eines ms populars per a

estudiar i investigar la interactivitat amb l'electrnica i dispositius fsics.


Objectius

1. Introduir els principis fonamentals de l'electrnica.

2. Donar les claus per a l'aprenentatge dels conceptes bsics del prototipatge.

3. Enumerar alguns dels components principals de l'electrnica.

4. Donar a conixer algunes de les possibilitats del prototipatge electrnic en

l'mbit interactiu.

5. Entendre com funciona un circuit senzill.

6. Aportar el coneixement necessari perqu pugueu dissenyar el vostre propi

circuit electrnic interactiu, treballat amb sensors i actuadors, confeccio-

nat mitjanant la plataforma Arduino.


1. Conceptes terics

1.1. Breu introducci a la electrnica

Abans d'entrar en profunditat en la matria prpia del disseny d'interacci

mitjanant el prototipatge electrnic, hem de fer una introducci breu als con-

ceptes bsics de l'electrnica moderna.

Avui dia, definim l'electrnica com la part de la cincia i de la tcnica

que tracta de l'estudi dels electrons i de les seves aplicacions en el trac-

tament i la transmissi d'informaci.

A continuaci explicarem diversos conceptes clau per a entendre els principis

de l'electrnica. Tot i que no pretenem fer una explicaci exhaustiva s que

intentarem que sigui la informaci necessria per a poder desenvolupar des-

prs els vostres prototips. Es tracta dels fonaments clau, i per tant, cal que poc

a poc els assimileu. Al llarg del mdul farem prctiques i analitzarem diferents

exemples, i aquesta llista us ha de servir com a diccionari de referncia.

1.1.1. DC/AC

Podem considerar bsicament dos tipus de corrent elctric: el correntcontinu

(DC) i el correntaltern (AC).

El corrent continu es caracteritza pel fet que en un circuit elctric el des-

plaament d'electrons es fa sempre en el mateix sentit, amb una tensi i

intensitat constants en el temps.

En canvi, el corrent altern es distingeix pel fet de ser un corrent variable en

qu les principals magnituds que el defineixen, tensi i intensitat, canvien

contnuament de valor i de sentit (el corrent de la xarxa elctrica domstica

s una ona sinusodal a 50 Hz).

Els circuits electrnics (telfons, comandaments a distncia, calculadores, etc.)

solen funcionar gaireb sempre amb DC, ja que, com hem vist, la seva funci

s la del tractament i transmissi d'informaci, ms que no pas el subminis-

trament i gesti de grans quantitats d'energia elctrica. L'AC permet moure

grans quantitats d'energia en circuits de llargues distncies, i s la que s'utilitza

per exemple, en els electrodomstics i en les fbriques, ja que permet activar

motors potents, illuminar grans superfcies, etc.

Exemple

s el corrent que proporcio-nen, per exemple, les piles i lesbateries.

Exemple

s el corrent que es fa servirmajoritriament, tant als ha-bitatges com a les indstries.Quan connectem un aparella un endoll li estem subminis-trant corrent altern.


1.1.2. Intensitat, voltatge i resistncia. Llei d'Ohm

Intensitat(ocorrent): mesurada en ampers (A), es defineix com el flux de

crrega elctrica per unitat de temps que recorre un material.

Voltatge: diferncia de potencial elctric entre dos punts. Es mesura en

volts (v).

Resistncia: la resistncia elctrica d'un objecte s una mesura de la seva

oposici al pas de corrent.

La lleid'Ohm estableix que el corrent que travessa un circuit elctric s

directament proporcional a la diferncia de potencial que hi ha entre

els seus extrems i inversament proporcional a la resistncia del circuit.

En termes matemtics la llei s'expressa per mitj de l'equaci I=V/R.

on V s la caiguda de voltatge o diferncia de potencial i I s el corrent.

L'equaci dna com a resultat la constant de proporcionalitat R, que s la re-

sistnciaelctricadelcircuit.

1.1.3. Resistncies

Els resistors sn components que ofereixen una determinada resistncia

al pas del corrent elctric.


s molt habitual trobar-los en circuits electrnics i es fan servir, sobretot, per

a limitar la intensitat del corrent elctric en un punt determinat del circuit o

per a dividir el valor total de la tensi.

Com a exemple per a entendre una de les aplicacions dels resistors, per tal de connectarun led a una sortida d'Arduino, necessitarem fer-ho a travs d'una resistncia de 220ohms, per tal de reduir la tensi de sortida d'Arduino des de 5 v fins a 3,3 v, que s elvoltatge mxim al qual pot treballar un led estndard. Una resistncia serveix doncs, enaquest cas, per a atenuar el voltatge d'una font d'alimentaci fins al led.

El seu valor, que es mesura en ohms, pot estar escrit directament a la cara

exterior del component, tot i que, generalment, es determina a partir d'un

codi internacional de colors.

1.1.4. Resistncies variables

Els potencimetres o restats sn resistors variables que es poden gra-

duar manualment.

Serveixen, per exemple, per a variar el volum d'un aparell de msica, la intensitat de llumd'una bombeta o la velocitat d'un motor.

Hi ha altres resistors variables, com ara les cllules fotoelctriques, que gradu-

en el seu nivell de resistncia en funci de la llum que capten.

Font: Steve Lodefink (cc).


1.1.5. Condensadors

En electrnica s necessari, en ocasions, disposar de components capaos

d'emmagatzemar electricitat temporalment i descarregar-la de cop en un deter-

minat instant; per exemple, el flaix d'una mquina fotogrfica. Aquests com-

ponents sn els condensadors.

El condensador s, doncs, un component que serveix per a emmagat-

zemartemporalmentcrregueselctriques sobre una superfcie rela-

tivament petita. La capacitat dels condensadors es mesura en farads (F).

Els condensadors sn, desprs dels resistors, els components electrnics ms

utilitzats. Es fan servir, entre altres aplicacions, en fonts d'alimentaci, en fil-

tres electrnics i en circuits de sintonitzaci de senyals de radiofreqncia.

Prcticament tots els aparells electrnics empren condensadors: ordinadors,

telfons mbils, televisors, cassets de butxaca, etc.

1.1.6. Dodes

Els dodes sn uns components electrnics actius que permeten el pas

del corrent en un nic sentit.

El dode s segurament el component semiconductor ms senzill. T dos ter-

minals, anomenats node i ctode.

Si es connecta el born positiu d'una pila o font d'alimentaci a l'node i el

negatiu al ctode, el dode condueix (estat de conducci) i permet el pas del

corrent a travs seu. Quan es troba en aquest estat, el dode t polaritzaci

directa i podem dir que es comporta com un interruptor tancat. Si invertim

la polaritat, el positiu el connectem al ctode i el negatiu a l'node, el dode

no condueix (estat de blocatge) i no permet el pas de corrent a travs seu. El

dode es troba en polaritzaci inversa i es comporta com un interruptor obert

(un interruptor tancat fa que el circuit funcioni ja que connecta el circuit i en

permet la circulaci; en canvi, un interruptor obert no fa contacte i no permet

el pas de l'electricitat).

Font: Wikipedia (cc).


Els dodes sn molt utilitzats en fonts d'alimentaci com a rectificadors, s a

dir, per a convertir en corrent continu el corrent altern de la xarxa elctrica.

Tamb s'utilitzen en circuits limitadors, en funcions lgiques i com a elements

de protecci.

1.1.7. Leds

Hi ha un tipus especial de dode, anomenat dodeled (light emitting diode),

molt popularitzat i utilitzat com a indicador llumins de l'estat d'un aparell

(encs, apagat, en espera, etc.), que t com a caracterstica principal l'emissi

de llum quan condueix.

El led s un component electrnic que emetllum quan s travessat per

un corrent elctric.


Es tracta d'un dode semiconductor, semblant a efectes electrnics al que has

estudiat, per que t la propietat de transformar l'energia elctrica en energia

lluminosa. Els avantatges ms importants que presenten els leds, respecte de

les bombetes pilot de filament, sn: alt rendiment energtic, poca producci

de calor, vida til molt elevada, mida reduda, carcassa resistent, disponibilitat

de diversos colors i consum baix.

1.1.8. Transistors

Tot i que existeixen desenes de tecnologies distintes de transistors (Mosfets,

Bipolars, CMOS...) amb estructures internes diferents, a grans trets podrem

definir el transistor com un component electrnic format internament per tres

capes de material semiconductor, i que consta de tres parts ben diferenciades:

emissor (E), base (B) i collector (C). Fsicament, la base sempre est enmig de

l'emissor i el collector, deixant als extrems l'emissor i el collector.

El transistor, per tant, s una espcie de sandvitx entre capes de material

semiconductor de signe oposat (P(positiu) o N(negatiu)).

La combinaci d'aquestes parts de semiconductor de classe P o N dna lloc

a dos tipus de transistors: transistor PNP i transistor NPN, i depenent de la

funcionalitat o el tipus de component que necessitem associar al transistor en

necessitarem d'un o altre tipus (en una tira de leds comercial, per exemple, la

regulaci de la intensitat dels colors RGB es fa a travs dels terminals negatius,

ja que solen tractar-se de dodes led d'node com i, per tant, necessitarem fer

servir un transistor NPN).



Amb l'aplicaci d'un petit corrent a travs de la uni base-emissor, s'estableix

un corrent molt ms gran entre la uni collector-emissor.

Aix doncs, el transistor es un component electrnic que ens deixa "am-

plificar" voltatges elctrics i que permet convertir petites tensions elc-

triques en tensions ms grans.

Aquest component ser til si, per exemple, volem operar un motor de 12 v

mitjanant les sortides analgiques d'Arduino, que treballen a un mxim de

5 v.

1.1.9. Rels

El rel s un interruptor elctric que s'acciona per mitj d'un electroi-

mant.


Est format per una bobina que, quan hi circula un corrent elctric, atreu una

lmina metllica que acciona un contacte, el qual s'obre o es tanca. Quan el

corrent deixa de circular per la bobina de l'electroimant, una molla fa retornar

la lmina metllica i el contacte a la seva posici original. Els rels sn molt

tils i es fan servir molt, perqu, amb corrents de poca intensitat, permeten

controlar altres circuits d'intensitat molt ms gran, i tamb perqu poden ser

governats a distncia. El corrent que circula per la bobina del rel rep el nom

de corrent de maniobra o de comandament, mentre que el que circula pel segon

circuit (s a dir, pels contactes) rep el nom de corrent principal o de potncia.

Exemple

Per exemple, un rel de 9 volts de corrent contnua el podem accionar fent servir unapila de 9 volts per al circuit de maniobra; en canvi, en el circuit de potncia, a travsdels contactes del rel, podem connectar una bombeta de 220 volts de corrent alternque s'encendr quan donem corrent al rel de 9 volts. Podem manipular aix aparells decorrent de 220 v mitjanant un circuit que funciona amb piles de 9 v.

1.1.10. IC (Integrated Circuit)

Un circuit integrat o xip s un dispositiuelectrnicdepetitesdimen-

sions consistent en un conjunt d'elements, com ara dodes, transistors,

resistors i condensadors, connectats permanentment i ntimament a

un material semiconductor (generalment, silici), que formen un circuit

miniaturitzat.

Sens dubte el circuit integrat ha estat l'element bsic de la revoluci tecno-

lgica de la segona meitat del segle XX. El trobem present en molts aparells

d's quotidi: ordinadors, televisors, telfons, aparells d'udio i vdeo, equips



de msica, electrodomstics, autombils, rellotges... I fins i tot, trobem petits

xips (microxips) en algunes targetes intelligents, com ara targetes de crdit,

moneder, telefniques, passaports, etc.

De fet, el cor del mateix Arduino s un microxip, l'Atmega328. Aquest micro-

xip, responsable de la gesti d'entrades i sortides de la placa, s reprogramable

mitjanant el llenguatge propi d'Arduino, fet que permet configurar el com-

portament del microxip segons la lectura dels sensors i decidir quina acci

han de fer els actuadors en conseqncia. Veurem exemples amb Arduino ms

endavant en aquest document.

1.1.11. PCB (printed circuit board)

Un PCB (printed circuit board) s una placa dissenyada per a acollir cir-

cuits electrnics amb mltiples components.

Aquestes plaques disposen de pistes de material conductor (generalment es-

tany o coure) que connecten els diferents components electrnics. Actual-

ment, grcies a les eines de disseny CAD com Eagle s relativament senzill

dissenyar PCB a casa, que desprs poden ser fabricats mitjanant sistemes in-

dustrials o de fabricaci casolana.

Disseny previ de PCB fet mitjanant eines CAD i placa impresa final.Font: Wikipedia (cc).

1.1.12. Esquemtiques

Un diagramaelectrnic, tamb conegut com a esquemaelctric o es-

quemtica, s una representaci pictrica d'un circuit elctric.



Mostra els diferents components del circuit de manera simple i amb pictogra-

mes estandarditzats d'acord amb normes, i les connexions d'alimentaci i de

senyal entre els distints dispositius. La disposici dels components i intercon-

nexions a l'esquema generalment no corresponen a les seves ubicacions fsi-

ques en el dispositiu acabat.

Generalment, les mateixes eines per al disseny de PCB permeten confeccionar

esquemtiques, ja que incorporen biblioteques amb els smbols dels compo-

nents electrnics i s'adapten a la normativa de dibuix d'aquest tipus de dia-

grames.

Recomanem l's del software lliure Fritzing per al disseny dels vostres diagra-

mes i PCB, ja que s'integra molt b amb la plataforma Arduino i s una eina

senzilla i verstil.

Al wiki de la comunitat Arduino i al de l'aula podreu trobar tamb la docu-

mentaci necessria per tal de poder interpretar amb un simple cop d'ull les

esquemtiques que necessiteu consultar a la xarxa.

A ms d'aquest resum general, recomanem la lectura dels diferents materials

sobre electrnica que trobareu referenciats a l'aula i a la bibliografia.

Histria de l'electrnica

L'origen de l'electrnica se sol situar a finals del segle XIX, quan, l'any 1883, ThomasA. Edison va descobrir l'efecte termoinic, en observar que quan s'escalfava un materialmetllic es produa una emissi d'electrons. J.A. Fleming va aprofitar aquest descobri-ment per a construir, el 1904, la vlvula de buit, amb la qual va detectar senyals de rdio,i que es considerada el primer component electrnic.

El 1948 les vlvules de buit comencen a ser substitudes per dodes i transistors fabricatsamb materials semiconductors, com el silici o el germani, el qual represent un salt qua-litatiu important en l'electrnica, ats que gaudien d'avantatges considerables: eren msslids i robusts, ms resistents als cops, d'un volum molt ms redut, d'una vida til msllarga i milloraven el tractament del senyal.

El 1960 va aparixer el primercircuitintegrat(xip), la qual cosa va permetre miniatu-ritzar encara ms els equips electrnics. El 1971 l'empresa Intel va fabricar el primer xipmicroprocessador i va donarun nou impuls al progrs tecnolgic i a la investigaci enelectrnica. Tots aquests avenos de l'electrnica han estat fonamentals per al desenvo-lupament de diferents camps d'aplicaci industrial i domstica: automatitzaci, control iregulaci de processos, informtica, robtica, telecomunicacions, transports, electrome-dicina, investigaci cientfica i espacial, lser, electrnica de consum, electroacstica, etc.L'mbit d'investigaci i de desenvolupament de l'electrnica consisteix a dissenyar nouscircuits basats en el comportament dels electrons en els materials. s per aix que la sevaevoluci prctica va lligada al coneixement tecnolgic dels materials.

Avui en dia estem rodejats de components electrnics. Un dels camps d'investigaci msemergents s la nanotecnologia, on s'investiga la possibilitat de seguir reduint la midadels xips fins a mesures nanomtriques i la construcci de circuits moleculars.

Font: Wikipedia.



2. Les eines

2.1. Arduino

Arduino s una plataforma de maquinari lliure, basada en una placa

amb un microcontrolador i un entorn de desenvolupament, dissenya-

da per a facilitarl'sdel'electrnicaenprojectesmultidisciplinars.

El maquinari consisteix en una placa amb un microcontrolador Atmel AVR i

ports d'entrada/sortida. El programari consisteix en un entorn de desenvolu-

pament que implementa el llenguatge de programaci Processing/Wiring i el

carregador d'arrencada (boot loader) que corre a la placa.

Arduino es pot utilitzar per a desenvolupar objectes interactius autnoms o

connectar-se a software de l'ordinador (per exemple: Macromedia Flash, Pro-

cessing, Max/MSP, Pure Data). Les plaques poden muntar-se a m o adquirir-se.

L'entorn de desenvolupament integrat lliure pot descarregar-se gratutament.

En tractar-se d'OpenHardware, tant el seu disseny com la seva distribuci s

lliure. s a dir, pot utilitzar-se lliurement per al desenvolupament de qualsevol

tipus de projecte sense haver de pagar per una llicncia, ja que s una llicencia

oberta (Creative Commons).

Consta de 14 entrades digitals configurables com a entrada o sortida que ope-

ren a 5 volts. Cada pin pot proporcionar o rebre com a mxim 40 mA. Aques-

tes entrades i sortides digitals permeten la connexi de sensors i actuadors i

la seva operaci en mode binari, s a dir, alternant entre dos estats (en el cas

de la connexi d'un led com a actuador, per exemple, noms podrem alter-

nar-ne entre el 0% i el 100% de lluminositat, i bviament tots els valors de

lluminositat intermedis).

Els pins 3, 5, 6, 8, 10 i 11 poden proporcionar una sortida PWM (pulse width

modulation). La tcnica de la modulaci d'amplada de pols permet simular el

comportament d'un corrent analgic, a travs de la modulaci d'un senyal de

voltatge digital mitjanant la variaci de la simetria de les ones quadrades. A

efectes prctics, mitjanant PWM podem obtenir un corrent regulat entre 0-5

v obtenint-ne tots els valors intermedis (per exemple, 3,3 v) a diferncia del

comportament de les sortides digitals. L'escriptura de valors PWM a un actu-

ador connectat a Arduino oscillar entre valors numrics dins el rang 0-255.


(En el cas de la connexi d'un led com a actuador, per exemple, podrem ge-

nerar rampes d'interpolaci de la lluminositat des de 0% al 100% passant per

tots els valors de lluminositat intermedis.)

Si es connecta qualsevol sensor o actuador als pins 0 i 1 interferir amb la co-

municaci USB, ja que a travs d'aquests dos pins es gestiona la comunicaci

serial. Hem d'anar en compte, doncs, i ser conscients que si volem fer servir

aquests ports com a part del nostre disseny haurem de desconnectar qualsevol

cosa que hi tinguem connectada cada cop que vulguem actualitzar el micro-

programari o firmware, o si volem fer servir les capacitats de comunicaci serial

amb un ordinador.

L'Arduino tamb te 6 entrades analgiques que proporcionen una resoluci de

10 bits. Per defecte mesuren de 0 volts (massa) fins 5 volts. La lectura dels valors

d'un sensor a Arduino oscillar entre valors numrics dins el rang 0-1024.

Un dels punts forts de la plataforma Arduino s la seva comunitat en lnia.

Grcies a un sistema de frums (arduino.cc/forums), tutorials i exemples

(arduino.cc/playground) en lnia ben organitzats, Arduino aconsegueix resol-

dre les necessitats d'aquells que, sense coneixements previs d'electrnica i pro-

gramaci, volen introduir-se en el mn del disseny d'interaccions mitjanant

el prototipatge electrnic.

http://www.arduino.cc/cgi-bin/yabb2/YaBB.plhttp://arduino.cc/playground


Recomanem de manera entusiasta que consulteu els frums i el playground

d'Arduino, ja que constitueixen una font inacabable d'inspiraci, coneixe-

ments i suport durant el procs d'aprenentatge.

Font: sparkfun (cc).

2.2. Sensors

Un sensor s un dispositiu que detecta magnituds fsiques o qumiques

i les transforma en variables elctriques. Les magnituds que mesura un

sensor poden ser, per exemple, humitat, temperatura, proximitat, pres-

si, flexi, vibraci, intensitat lumnica...

Generalment trobarem dos tipus de sensors, segons el seu mode de funciona-

ment: analgics o digitals. Habitualment, els sensors analgics retornen un

rangdevoltatges entre 0 i N volts (en les prctiques que realitzarem, N = 5)

depenent de la magnitud de lectura (la quantitat de pressi que exercim sobre

el sensor, la temperatura que hi apliquem, etc.).

A ms, elssensorsdigitalsretornennomsdosvalors (HIGH, LOW), gene-

ralment 0 v per a l'estat LOW o Nv per a l'estat HIGH. En molts casos (per

exemple, la lectura dels sensors de distncia per ultrasons) els valors interme-

dis es poden obtenir a partir de la mesuradefreqncia de l'alternana entre

aquests dos valors LOW i HIGH.

A continuaci referenciem la taula d'un article de la Wikipedia amb enllaos

que us poden fer conixer alguns dels nombrosos sensors que existeixen avui

en dia.


Magnitud Transductor

Potencimetre

Encoder

Posicilinealoangular

Sensor Hall

Transformador diferencial de variaci lineal

Galga extensiomtrica

Magnetoestrictius

Magnetorresistius

Desplaamentideformaci

LVDT

Dinamo tacomtrica

Encoder

Detector inductiu

Servoinclinmetres

RVDT

Velocitatlinealiangular

Giroscopi

AccelermetreAcceleraci

Servoaccelermetre

Galga extensiomtricaForaipar(deformaci)

Triaxials

Membranes

Piezoelctrics

Pressi

Manmetres Digitals

TurbinaCabal

Magntic

Termopar

RTD

Termistor - NTC

Termistor - PTC

Temperatura

[Bimetal - Termostat]

Inductius

Capacitius

Sensorsdepresncia

ptics

Sensorstctils Matriu de contactes

Font: Wikipedia

http://es.Wikipedia.org/wiki/Potencimetrohttp://es.Wikipedia.org/wiki/Encoderhttp://es.Wikipedia.org/wiki/Sensor_Hallhttp://es.Wikipedia.org/wiki/Transformador_diferencial_de_variacin_linealhttp://es.Wikipedia.org/wiki/Galga_extensiomtricahttp://es.Wikipedia.org/w/index.php?title=Magnetoestrictivos&action=edit&redlink=1http://es.Wikipedia.org/w/index.php?title=Magnetorresistivos&action=edit&redlink=1http://es.Wikipedia.org/wiki/LVDThttp://es.Wikipedia.org/wiki/Codificador_rotatoriohttp://es.Wikipedia.org/w/index.php?title=Detector_inductivo&action=edit&redlink=1http://es.Wikipedia.org/w/index.php?title=Servo-inclinmetros&action=edit&redlink=1http://es.Wikipedia.org/w/index.php?title=RVDT&action=edit&redlink=1http://es.Wikipedia.org/wiki/Girscopohttp://es.Wikipedia.org/wiki/Acelermetrohttp://es.Wikipedia.org/wiki/Servo-accelermetroshttp://es.Wikipedia.org/wiki/Galga_extensiomtricahttp://es.Wikipedia.org/w/index.php?title=Triaxiales&action=edit&redlink=1http://es.Wikipedia.org/wiki/Piezoelectricidadhttp://es.Wikipedia.org/w/index.php?title=Manmetros_Digitales&action=edit&redlink=1http://es.Wikipedia.org/wiki/Turbinahttp://es.Wikipedia.org/wiki/Caudal]http://es.Wikipedia.org/wiki/Termoparhttp://es.Wikipedia.org/wiki/RTDhttp://es.Wikipedia.org/wiki/Termistorhttp://es.Wikipedia.org/wiki/NTChttp://es.Wikipedia.org/wiki/Termistorhttp://es.Wikipedia.org/wiki/PTChttp://es.Wikipedia.org/wiki/Temperaturahttp://es.Wikipedia.org/wiki/Termostato


Magnitud Transductor

Pell artificial

Sensor final de carrera

Sensor capacitiu

Sensor inductiu

Sensordeproximitat

Sensor fotoelctric

Sensoracstic(pressisonora) Micrfon

Fotodiode

Fotorresistncia

Fototransistor

Sensordellum

Cllula fotoelctrica

Font: Wikipedia

Generalment, connectarem aquests sensors a les entrades analgiques

d'Arduino, directament o a travs d'un circuit que manipuli o ajusti el senyal

(si el rang de senyal elctric que ofereix el sensor s distint a 0v-5v, o si neces-

sitem algun tipus de filtratge del senyal a travs de resistncies).

Un cop connectats els sensors a Arduino, carregant el codi adequat podrem

procedir a la lectura de les dades recollides pels sensors, i el seu posterior s

com a part integrant d'un disseny interactiu.

2.3. Actuadors

Un actuador s un dispositiu que transforma energia elctrica (o hidru-

lica o neumtica) en moviment, llum, so...

Exemple

Exemples clars d'actuadors serien els motors, leds, cristalls piezoelctrics, per tamb elscomponents electrnics que actuen com a interfcie de potncia d'altres dispositius comara els rels o els transistors. A aquests ltims elements se'ls anomena generalment pre-actuadors.

De la mateixa manera que amb els sensors, els actuadors poden ser analgics o

digitals, segons el seu mode de funcionament. Si els actuadors accepten rangs

detensielctrica (per exemple, els leds) direm que sn actuadors analgics.

Al contrari, si noms accepten dosestatselctrics(LOWiHIGH) direm que

sn actuadors digitals.

http://es.Wikipedia.org/wiki/Sistema_electrnico_epidrmicohttp://es.Wikipedia.org/wiki/Sensor_final_de_carrerahttp://es.Wikipedia.org/wiki/Sensor_capacitivohttp://es.Wikipedia.org/wiki/Sensor_inductivohttp://es.Wikipedia.org/wiki/Sensor_de_proximidadhttp://es.Wikipedia.org/wiki/Sensor_fotoelctricohttp://es.Wikipedia.org/wiki/Presin_sonorahttp://es.Wikipedia.org/wiki/Micrfonohttp://es.Wikipedia.org/wiki/Fotodiodohttp://es.Wikipedia.org/wiki/Fotorresistenciahttp://es.Wikipedia.org/wiki/Fototransistorhttp://es.Wikipedia.org/wiki/Sensor_fotoelctricohttp://es.Wikipedia.org/wiki/Clula_fotoelctrica


De la mateixa manera que els sensors, per a connectar els actuadors a Arduino

haurem de tenir en compte la tensi elctrica que necessiten per a funcionar.

Si aquesta tensi varia entre 0 i 5v podem connectar els actuadors directament

a Arduino. En cas contrari, necessitarem un circuit condicionador del senyal,

a travs de l's de transistors, resistncies, rels, etc.

2.4. Components electrnics

En la primera part terica d'aquest mdul hem fet un reps dels components

ms comuns utilitzats en el prototipatge electrnic. Depenent de quin sigui el

circuit que dissenyem, s possible que necessitem diferents components elec-

trnics que ens permetin condicionar els senyals elctrics per tal que es com-

portin de la manera que necessita el nostre disseny.

2.5. Cablejat i estany

Per tal de fer les connexions entre components amb la placa de proves es fa

servir cable unifiliar de diversos colors.

En el cas de circuits amb un pas ms de finalitzaci, fets mitjanant plaques

perforades de baquelita, es fa servir estany per tal de fer els camins de solda-

dura.

2.6. Soldador

Tot i que les prctiques fetes mitjanant protoboards no necessiten l's del sol-

dador, ja que tots els circuits es munten sobre una placa de proves que no

necessita soldadura, hem de tenir en compte que el soldador, o l'estaci de

soldadura, s un element imprescindible a l'hora de dissenyar prototips elec-

trnics funcionals, ja que ens permet dibuixar pistes permanents d'estany en

una placa perforada, mtode que dna lloc a una aproximaci relativament

fidel a un producte electrnic acabat.

2.7. Protoboard


Una placadeproves, tamb coneguda com protoboard o breadboard,

s una placa d's genric reutilizable o semipermanent, usada per a

construir prototips de circuits electrnics amb o sense soldadura.

Normalment s'utilitzen per a la realitzaci de proves experimentals. En un

protoboard com els distints forats estan connectats de la manera segent:Font: Wikipedia (cc).


Diagrama de connexions internes de les pistes conductives en una placa deproves.Font: Wikipedia (cc).

2.8. Perfboard

Placa de circuit perforada amb forats envoltats per material conductor,

usualment de coure, per que no estan interconnectats.

Aquest tipus de plaques requereixen que cada component estigui soldat a la

placa i que a ms les interconnexions es facin a travs de cables o camins de

soldadura, normalment fets amb estany.



3. Dissenyant interaccions amb arduino

3.1. Utilitzaci del protoboard

Com hem vist en els punts anteriors, el protoboard s molt til per tal de fer

proves rpides de circuits. Hem de tenir en compte el diagrama de connexions

internes de la placa, i connectar als laterals els pols positiu i negatiu del corrent

elctric, que en la majoria de casos ser de +5v dc.

Un cop connectats a la protoboard, aquestes senyals de voltatge positiu i negatiu

es poden portar a qualsevol altre punt del protoboard, facilitant-ne el disseny i

reduint el nombre i llargada dels cables que haurem d'utilitzar.

3.2. Microprogramari o firmware

Arduino s un sistema combinat de maquinari i programari. El comportament

i la relaci entre les entrades i les sortides es defineix a travs de codis de pro-

gramari (firmwares) que poden ser carregats en la memria de la placa. Ens

permet, doncs, mitjanant programaci modificar el comportament del mi-

croxip (canviant la informaci del microprogramari) per tal de fer que fun-

cioni de la manera desitjada segons el circuit que hgim dissenyat. Arduino

disposa d'una IDE (entorn de desenvolupament) prpia, que permet l'entrada

de codi (basat en el llenguatge C). Depenent del tipus de projecte que volem

fer, necessitarem microprogramaris diferents que podem programar nosaltres

mateixos fent us de la referncia en lnia del llenguatge de programaci i de

l'ajut de les comunitats en lnia d'aficionats.

3.3. Lectura d'un sensor analgic

Els sensors analgics, connectats a Arduino, provoquen en aquest una lectura

de valors dins el rang numric 0-1024. A travs de distintes manipulacions

numriques o algorismes de programaci podem condicionar aquestes dades

per tal que es comportin de la manera desitjada.

3.4. Lectura d'un sensor digital

Els sensors digitals, connectats a Arduino, provoquen en aquest una lectura

de valors binaris: HIGH o LOW. De nou, a travs de distintes manipulacions

numriques o algorismes de programaci podem condicionar aquestes dades

per tal que es comportin de la manera desitjada.

Vegeu tamb

Vegeu el diagrama de l'apartat2.7 d'aquest mateix mdul.


3.5. Connexi d'un actuador digital

Arduino disposa de nombrosos pins de sortida digital. Aquestes sortides noms

tenen dos estats: HIGH o LOW. Quan es troben en estat HIGH, les sortides en-

treguen 5v de sortida, i quan es troben en estat LOW entreguen 0v de sortida.

Aquests pins estan pensats per a ser utilitzats amb actuadors que noms ne-

cessitem que tinguin dos estats.

Un rel, per exemple, s un tipus d'actuador binari que encaixaria amb aquest tipus desortida.

Si hi connectssim un led, per exemple, noms podrem variar-ne la lluminositat entredos estats: apagat, i encs a mxima intensitat lluminosa, i perdria tots els valors delluminositat intermdia.

3.6. Connexi d'un actuador analgic

Tot i que Arduino no disposa de sortides analgiques reals, ofereix una "emu-

laci" d'aquestes a travs del sistema PWM (modulaci de l'amplada de pols).

El funcionament s el segent: per tal de donar una intensitat de 2,5 v es mo-

dula la freqncia en qu s'envia 0 i 5 v per tal que la mitjana sigui de 2,5. Per

tant, aquestes sortides digitals permeten resultats "analgics" ja que faciliten

la regulaci del voltatge de sortida dins el rang dels 0-5 v dc.

Connectant-hi un led, per exemple, i regulant el voltatge de sortida, podem

controlar el nivell d'intensitat lumnica que genera la llum led.

El rang de valors en qu funciona Arduino per al control de sortides analgi-

ques oscilla dins el rang 0-255.

3.7. Comunicaci serial

A ms de llegir sensors o intervenir sobre actuadors, podem enviar o rebre in-

formaci a un ordinador a travs del cableUSB. Aix, les dades recollides per

un sensor poden ser analitzades i enviades a una computadora per a ampliar

les possibilitats del disseny d'interacci i fer, per exemple, que aquestes dades

recollides formin part d'una base de dades en lnia o disparar imatges de vdeo

en funci de la lectura d'un sensor. Tanmateix, podem generar comunicaci

en el sentit contrari, s a dir, enviar dades cap a Arduino des de l'ordinador per

tal d'activar un sistema d'actuadors (motors, leds, etc.) i posar en relaci altres

estratgies de disseny interactiu (anlisi d'udio, visi artificial o computer vi-

sion) amb un sistema electrnic. Tant Processing com la majoria d'entorns de

programaci interactiva (Max/MSP, flash, PD, OpenFrameworks...) incorporen

funcionalitats de comunicaci a travs de port serial.


La comunicaci serial1 es fa a travs dels pins digitals 0 (RX) i 1 (TX), i tamb

amb l'ordinador mitjanant USB. Per tant, si utilitzeu aquestes funcions, no

podeu fer servir els pins 0 i 1 com entrada o sortida digital. La transferncia

de dades per serial implica la transferncia d'informaci bit a bit.

La informaci es passa bidireccionalment entre l'ordinador i Arduino mitjan-

ant l'alternana d'estats HIGH i LOW (1 i 0) d'un pin. De la mateixa mane-

ra que engeguem i apaguem un LED, podem tamb enviar dades codificades.

Podrem fer una analogia amb el codi Morse, on fem servir punts i ratlles per

a enviar missatges telegrfics.

Per sort existeixen llibreries de comunicaci que ens permeten fer totes aques-

tes accions sense haver de programar-ho des de zero.

Un bit pot tenir dos valors: 0 i 1

Es poden agrupar 8 bits, fet que dna lloc a un byte.

Un byte pot emmagatzemar valors numrics fins al nombre 256.

Per tal d'enviar dades numriques majors de 256 a travs de serial necessitem

dissenyar un protocol que ens permeti dividir un nic nombre en dos paquets

de missatges distints que desprs seran reassemblats mitjanant operacions

matemtiques, o enviar cada xifra del nombre com un paquet separat a travs

del codi ASCII.

(1)La paraula serial significa 'un des-prs d'un altre'.


4. Ms enll. Recursos i bibliografia especfica

El mn de la electrnica s molt extens, i no en va hi ha estudis universitaris

d'alt nivell sobre aquesta disciplina. Per tant hi ha un volum enorme de do-

cumentaci al respecte que bviament no podem citar en aquest document.

Recomanem que feu cerques especfiques si us trobeu amb problemes o ne-

cessitats concretes a l'hora d'encarar els vostres dissenys interactius basats en

electrnica. No obstant aix, ens agradaria fer referncia a diverses tcniques

generalitzades dins la comunitat de dissenyadors d'interacci i que poden es-

tar al nostre abast amb els nostres coneixements actuals:

4.1. Xbee

Xbee s un sistema de transmissi de dades sense fil compatible amb Arduino,

que pot ajudar-nos a dissenyar sistemes que es comuniquen sense cables.

http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoXbeeShield

4.2. Eagle i Fritzing

Tant Eagle com Fritzing sn eines de disseny de diagrames i circuits electrnics

assistits per ordinador que ens ajuden en el clcul de posicionament de les

pistes conductives. Eagle s l'estndard industrial en aquest tipus de sistemes

CAD, mentre que Fritzing s un projecte Open Source pensat especficament

per a Arduino i orientat a usuaris sense coneixements previs d'electrnica.

http://fritzing.org/

http://www.cadsoftusa.com/

4.3. Robtica

La robtica s una disciplina molt atractiva que hibrida diferents rees de co-

neixement i que est a l'abast de les nostres mans amb els coneixements de

qu disposem. La robtica mescla el disseny de sistemes electrnics, la mec-

nica i la intelligncia artificial (programari). Hi ha nombroses plataformes de

robtica educativa que estan al nostre abast i que poden servir de punt d'inici

per a introduir-nos en aquesta disciplina.

http://mindstorms.lego.com/en-us/Default.aspx

http://www.robotis.com/xe/bioloid_en

http://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoXbeeShieldhttp://fritzing.org/http://www.cadsoftusa.com/http://mindstorms.lego.com/en-us/Default.aspxhttp://www.robotis.com/xe/bioloid_en


4.4. Bibliografia

A ms, ens agradaria recomanar els llibres segents, que en major o menor

mesura ofereixen coneixements relacionats amb el prototipatge electrnic i

Arduino:

Practical Arduino: Cool Projects for Open Source Hardware (1a. edici). Apress. 28

de desembre de 2009.

Programming Interactivity: A Designer's Guide to Processing, Arduino, and openFra-

mework (1a. edici). O'Reilly Media. 15 de juliol de 2009.

Getting Started with Arduino (1a. edici). Make Books. 24 de mar de 2009.

http://www.apress.com/book/view/9781430224778http://oreilly.com/catalog/9780596800581/http://oreilly.com/catalog/9780596800581/http://www.makershed.com/ProductDetails.asp?ProductCode=9780596155513

Dispositius electrnicsIntroducciObjectiusndex1. Conceptes terics1.1. Breu introducci a la electrnica1.1.1. DC/AC1.1.2. Intensitat, voltatge i resistncia. Llei d'Ohm1.1.3. Resistncies1.1.4. Resistncies variables1.1.5. Condensadors1.1.6. Dodes1.1.7. Leds1.1.8. Transistors1.1.9. Rels1.1.10. IC (Integrated Circuit)1.1.11. PCB (printed circuit board)1.1.12. Esquemtiques

2. Les eines2.1. Arduino2.2. Sensors2.3. Actuadors2.4. Components electrnics2.5. Cablejat i estany2.6. Soldador2.7. Protoboard2.8. Perfboard

3. Dissenyant interaccions amb arduino3.1. Utilitzaci del protoboard3.2. Microprogramari o firmware3.3. Lectura d'un sensor analgic3.4. Lectura d'un sensor digital3.5. Connexi d'un actuador digital3.6. Connexi d'un actuador analgic3.7. Comunicaci serial

4. Ms enll. Recursos i bibliografia especfica4.1. Xbee4.2. Eagle i Fritzing4.3. Robtica4.4. Bibliografia

electrònics Dispositius - playmodes.com · que tracta de l'estudi dels electrons i de les seves...

Documents

Transcript of electrònics Dispositius - playmodes.com · que tracta de l'estudi dels electrons i de les seves...