Ejercicios: Microcontroladores y robots

Explica qué es un microcontrolador (una computadora completa pero pequeña, dentro de una placa) y dos diferencias con una computadora de escritorio: qué puede hacer cada una y para qué se usa.

La figura muestra una placa microcontroladora con sus grupos de pines rotulados, salvo uno.

El pin tapado es la referencia común a la que vuelven todos los circuitos que conectes a la placa. Nómbralo y explica para qué sirve, qué diferencia hay entre los pines digitales (todo o nada) y los analógicos (leen valores continuos) y para qué se usa el conector USB.

Clasifica estos elementos según se conecten a un pin de entrada o a un pin de salida de la placa, y justifica uno de cada tipo: un pulsador, un LED, una LDR, un zumbador y un potenciómetro.

La figura muestra un robot móvil visto desde arriba, con sus elementos rotulados y su «cerebro» tapado con un interrogante.

Nombra la pieza tapada, explica qué información recibe de los sensores y qué órdenes envía a los actuadores, y clasifica los elementos rotulados (ruedas con motor, sensor de ultrasonidos, zumbador, LED, batería) como entrada, salida o fuente de energía.

Indica qué mide cada sensor que puedes conectar a la placa y un proyecto en el que lo usarías: sensor de ultrasonidos (distancia), LDR (luz), sensor de temperatura y sensor infrarrojo de línea (distingue claro de oscuro en el suelo).

Indica qué hace cada actuador conectable a la placa y una diferencia clave entre ellos: un LED, un zumbador, un servo (gira hasta la posición que le ordenas) y un motor de corriente continua (gira sin parar a más o menos velocidad).

Explica cómo llega un programa a la placa: dónde se escribe, qué ocurre al «subirlo» por el cable y por qué después la placa funciona sola, sin computadora, ejecutando el programa en bucle.

Di si son verdaderas o falsas estas afirmaciones y justifica cada respuesta: (a) la placa ejecuta el programa tal cual lo escribimos, sin traducirlo antes; (b) los pines de la placa aguantan cualquier corriente, así que el LED puede ir sin resistencia; (c) un servo puede colocarse en un ángulo concreto ordenado por el programa; (d) la placa recuerda el último programa aunque se desconecte de la corriente.

La figura muestra el diagrama de flujo del control de una barrera de parqueo con un sensor de ultrasonidos, pero la decisión está tapada.

Escribe la condición que debe comprobar la placa (si la distancia medida es menor que cierto valor, hay un auto), explica qué hace el bucle mientras no llega nadie y qué ocurriría si la barrera bajara sin esperar unos segundos.

Diseña un semáforo con la placa: decide cuántos pines de salida necesitas y para qué, escribe la secuencia de estados con sus tiempos (verde $4\ \text{s}$, amarillo $1\ \text{s}$, rojo $4\ \text{s}$) y explica por qué el programa se escribe como un bucle que no termina nunca.

Quieres que un LED se encienda cuando la luz de la habitación baje de cierto nivel. Explica qué pin usas para leer la LDR (uno analógico), qué significa fijar un «umbral» en el programa y escribe en pseudocódigo las tres líneas clave: leer, comparar y actuar.

El sensor de ultrasonidos mide distancias como un murciélago. Explica el principio (emite un pulso de sonido y mide cuánto tarda el eco en volver), por qué tiene dos «ojos» (uno emite y otro escucha) y dos situaciones en las que puede fallar: objetos blandos que absorben el sonido y superficies inclinadas que desvían el eco.

Para mover la barrera de un parqueo puedes usar un servo o un motor de corriente continua. Compara ambos: cuál llega a una posición exacta y se queda quieto, cuál gira sin parar, cuál necesita menos electrónica extra en este proyecto y por qué.

Describe el comportamiento de un robot esquiva-obstáculos a alto nivel: qué mide el sensor frontal, qué hace el robot cuando todo está despejado y qué secuencia ejecuta al detectar algo cerca (parar, girar, comprobar de nuevo). ¿Qué pasaría si solo tuviera el sensor mirando al frente?

Los motores de un robot no se alimentan de un pin de la placa, sino de la batería a través de una placa «controladora de motores». Explica por qué (los pines dan muy poca corriente y el motor pediría mucha más), qué papel cumple la placa controladora y qué relación tiene esto con el relé de los circuitos electrónicos.

Tu programa debería encender un LED al presionar un botón, pero ocurre al revés: está encendido y se apaga al presionar. Explica dos causas posibles (la lógica del programa está invertida o el pulsador está cableado al contrario, «activo a nivel bajo») y cómo comprobarías cada una.

Un grupo de alumnos ha programado un semáforo peatonal con pulsador con la siguiente lógica: en cuanto el peatón presiona el botón, el semáforo de vehículos pasa de verde a rojo de forma instantánea y el de peatones se pone en verde durante 15 s. Tras probarlo en una maqueta vial, observan frenazos bruscos de los vehículos y atascos continuos si varios peatones pulsan repetidamente el botón.

1. a) Justifica dos fallos de seguridad y fluidez vial que presenta este programa inicial.
2. b) Diseña el diagrama de flujo o la secuencia temporal corregida (indicando entradas, salidas y tiempos recomendados) para resolver ambos problemas, incorporando una fase de transición (ámbar) y garantizando un tiempo mínimo de verde continuo para los autos antes de atender otra llamada peatonal.
3. c) Si quieres añadir un avisador acústico intermitente para personas con discapacidad visual durante los últimos 3 s del verde peatonal, ¿cómo debes modificar la temporización de esa salida?

En un parqueo de 10 plazas controlado por barrera, un estudiante propone este algoritmo: «El sensor de entrada suma 1 a los autos dentro al detectar un vehículo y abre la barrera; el sensor de salida resta 1 al salir; si los autos dentro llegan a 10, se enciende la luz de COMPLETO y la barrera no se abre». Durante la primera semana de pruebas, el sistema marca COMPLETO habiendo plazas vacías, y a veces la barrera golpea el techo de los autos.

1. a) Analiza e identifica dos situaciones físicas reales por las que el contador se descuadra con el paso de las horas (pistas: vehículos que se arrepienten tras pisar el sensor, paso de peatones, falsas detecciones).
2. b) Diseña la lógica de control completa (especificando condiciones con los sensores de entrada, barrera y salida) para que el conteo sea fiable y no dependa de una sola lectura instantánea.
3. c) ¿Qué condición de seguridad debe tener prioridad absoluta en la programación para garantizar que la barrera jamás baje mientras haya un obstáculo o vehículo cruzando?

Estás diseñando la calibración y el montaje de un robot sigue-líneas que recorre un circuito blanco con una línea negra de 2 cm de ancho. El robot dispone de dos sensores infrarrojos de reflectancia ($S_I$ y $S_D$) montados en el frontal y tracción diferencial con dos motores independientes.

1. a) Predice qué comportamiento erróneo tendrá el robot si montas los sensores separados solo 1 cm entre sí (distancia menor que el ancho de la línea). ¿Y si los separas 6 cm? Justifica cuál debe ser la separación geométrica óptima.
2. b) Diseña la tabla de decisiones del robot indicando el estado de cada motor (marcha adelante, parado o marcha atrás) para cada una de las 4 combinaciones posibles de lectura (Blanco/Negro).
3. c) Al llegar a una curva cerrada a la izquierda, si el robot solo apaga el motor izquierdo y mantiene el derecho adelante, tiende a salirse de la línea por inercia. Justifica qué cambio debes hacer en el control de los motores para lograr un giro mucho más cerrado sobre su propio eje.

Tu equipo debe seleccionar la plataforma de hardware para construir un prototipo de domótica que controle persianas mediante servomotores, detecte fugas de gas y presencia en tres habitaciones distintas, y muestre el estado en una pantalla LCD.

1. a) Compara la idoneidad de usar una placa compacta «todo en uno» (con sensores y pantalla de LEDs integrados en el propio circuito impreso) frente a una placa de desarrollo modular con pines de expansión y placa de prototipado (protoboard). Analiza aspectos como la distribución espacial de los sensores por la vivienda y el cableado de actuadores de potencia.
2. b) Si durante el montaje un alumno comete un error y quema el sensor de temperatura por una sobretensión o inversión de polaridad, analiza la repercusión técnica y de costo en la placa integrada frente a la modular.
3. c) Justifica razonadamente cuál de las dos plataformas elegirías para este proyecto final de robótica domótica y para cuál de ellas reservarías una sesión inicial de dos horas de introducción a la programación.

Debes diseñar el sistema de control autónomo para un robot mensajero de biblioteca que transporta libros entre dos puestos (Mesa 1 y Mesa 2) guiándose por una línea en el suelo. El ciclo completo consiste en: esperar la orden de salida mediante un pulsador, seguir la línea hasta encontrar una marca transversal de parada, detenerse y avisar con un zumbador durante 3 s, esperar a que el usuario retire el libro (detectado por un sensor de presencia o peso), y regresar a la Mesa 1 realizando un giro de 180° para quedar listo para el siguiente servicio.

1. a) Identifica los sensores y actuadores requeridos, clasificando cada uno según sea de entrada o de salida.
2. b) Diseña la máquina de estados o diagrama de flujo del sistema, indicando con precisión los diferentes estados del robot y qué condición desencadena la transición al estado siguiente.
3. c) Añade al diseño un protocolo de seguridad reactiva: ¿qué sensor debes incorporar y cómo debe actuar el bucle principal si un estudiante se cruza a menos de 20 cm del robot en movimiento?