Microcontroladors i robots

Explica què és un microcontrolador (un ordinador complet però petit, dins d'una placa) i dues diferències amb un ordinador de sobretaula: què pot fer cadascun i per a què s'utilitza.

Explica com arriba un programa a la placa: on s'escriu, què passa en «pujar-lo» pel cable i per què després la placa funciona sola, sense ordinador, executant el programa en bucle.

El teu equip ha de seleccionar la plataforma de maquinari per construir un prototip de domòtica que controli persianes mitjançant servomotors, detecti fuites de gas i presència en tres habitacions diferents, i mostri l'estat en una pantalla LCD.

1. a) Compara la idoneïtat d'utilitzar una placa compacta «tot en un» (amb sensors i pantalla de LED integrats en el mateix circuit imprès) enfront d'una placa de desenvolupament modular amb pins d'expansió i placa de prototipatge (placa de proves o protoboard). Analitza aspectes com la distribució espacial dels sensors per l'habitatge i el cablejat d'actuadors de potència.
2. b) Si durant el muntatge un alumne comet un error i crema el sensor de temperatura per una sobretensió o inversió de polaritat, analitza la repercussió tècnica i de cost en la placa integrada enfront de la modular.
3. c) Justifica raonadament quina de les dues plataformes triaries per a aquest projecte final de robòtica domòtica i per a quina d'elles reservaries una sessió inicial de dues hores d'introducció a la programació.

La figura mostra una placa microcontroladora amb els seus grups de pins retolats, excepte un.

El pin tapat és la referència comuna a la qual tornen tots els circuits que connectes a la placa. Anomena'l i explica per a què serveix, quina diferència hi ha entre els pins digitals (tot o res) i els analògics (llegeixen valors continus) i per a què s'utilitza el connector USB.

Classifica aquests elements segons si es connecten a un pin d'entrada o a un pin de sortida de la placa, i justifica'n un de cada tipus: un polsador, un LED, una LDR, un brunzidor i un potenciòmetre.

Digues si són vertaderes o falses aquestes afirmacions i justifica cada resposta: (a) la placa executa el programa tal com l'escrivim, sense traduir-lo abans; (b) els pins de la placa aguanten qualsevol corrent, de manera que el LED pot anar sense resistència; (c) un servomotor es pot col·locar en un angle concret ordenat pel programa; (d) la placa recorda l'últim programa encara que es desconnecti del corrent.

La figura mostra un robot mòbil vist des de dalt, amb els seus elements retolats i el seu «cervell» tapat amb un interrogant.

Anomena la peça tapada, explica quina informació rep dels sensors i quines ordres envia als actuadors, i classifica els elements retolats (rodes amb motor, sensor d'ultrasons, brunzidor, LED, bateria) com a entrada, sortida o font d'energia.

Indica què mesura cada sensor que pots connectar a la placa i un projecte en què l'utilitzaries: sensor d'ultrasons (distància), LDR (llum), sensor de temperatura i sensor infraroig de línia (distingeix clar de fosc a terra).

Indica què fa cada actuador connectable a la placa i una diferència clau entre ells: un LED, un brunzidor, un servomotor (gira fins a la posició que li ordenes) i un motor de corrent continu (gira sense parar a més o menys velocitat).

Els motors d'un robot no s'alimenten d'un pin de la placa, sinó de la bateria a través d'una placa «controladora de motors». Explica per què (els pins donen molt poc corrent i el motor en demanaria molt més), quin paper fa la placa controladora i quina relació té això amb el relé dels circuits electrònics.

Vols que un LED s'encengui quan la llum de l'habitació baixi de cert nivell. Explica quin pin utilitzes per llegir la LDR (un d'analògic), què significa fixar un «llindar» en el programa i escriu en pseudocodi les tres línies clau: llegir, comparar i actuar.

La figura mostra l'organigrama del control d'una barrera d'aparcament amb un sensor d'ultrasons, però la decisió està tapada.

Escriu la condició que ha de comprovar la placa (si la distància mesurada és menor que cert valor, hi ha un cotxe), explica què fa el bucle mentre no arriba ningú i què passaria si la barrera baixés sense esperar uns segons.

Dissenya un semàfor amb la placa: decideix quants pins de sortida necessites i per a què, escriu la seqüència d'estats amb els seus temps (verd $4\ \text{s}$, ambre $1\ \text{s}$, vermell $4\ \text{s}$) i explica per què el programa s'escriu com un bucle que no acaba mai.

El sensor d'ultrasons mesura distàncies com una ratapinyada. Explica el principi (emet un pols de so i mesura quant triga l'eco a tornar), per què té dos «ulls» (un emet i l'altre escolta) i dues situacions en què pot fallar: objectes tous que absorbeixen el so i superfícies inclinades que desvien l'eco.

Descriu el comportament d'un robot esquivaobstacles a alt nivell: què mesura el sensor frontal, què fa el robot quan tot està buit i quina seqüència executa en detectar alguna cosa a prop (aturar-se, girar, comprovar de nou). Què passaria si només tingués el sensor mirant al capdavant?

Estàs dissenyant el calibratge i el muntatge d'un robot segueix-línies que recorre un circuit blanc amb una línia negra de 2 cm d'amplada. El robot disposa de dos sensors infrarojos de reflectància ($S_I$ i $S_D$) muntats a la part frontal i tracció diferencial amb dos motors independents.

1. a) Prediu quin comportament erroni tindrà el robot si muntes els sensors separats només 1 cm entre si (distància menor que l'amplada de la línia). I si els separes 6 cm? Justifica quina ha de ser la separació geomètrica òptima.
2. b) Dissenya la taula de decisions del robot indicant l'estat de cada motor (marxa endavant, aturada o marxa enrere) per a cadascuna de les 4 combinacions possibles de lectura (Blanc/Negre).
3. c) En arribar a un revolt tancat a l'esquerra, si el robot només apaga el motor esquerre i manté el dret endavant, tendeix a sortir-se de la línia per inèrcia. Justifica quin canvi has de fer en el control dels motors per aconseguir un gir molt més tancat sobre el seu propi eix.

Per controlar una barrera d'accés amb un polsador d'aturada d'emergència, un alumne programa la seqüència següent:

obrir_barrera();

esperar(5000); // pausa fixa de 5 s amb delay

tancar_barrera();

En les proves, en accionar el polsador de bolet d'emergència durant la pausa de 5 s o mentre la barrera baixa, el sistema no respon i continua el seu cicle, provocant un impacte.

1. a) Explica a nivell d'execució del microcontrolador per què la instrucció d'espera fixa (delay) bloqueja la capacitat de resposta davant l'emergència.
2. b) Dissenya l'estructura algorísmica (en pseudocodi o diagrama) que permeti mantenir la barrera oberta 5 s però comprovant contínuament el polsador d'aturada per aturar el motor de manera instantània.
3. c) Si a més necessites que un brunzidor emeti xiulets intermitents de 0,5 s mentre la barrera es mou, justifica per què aquest requisit resulta inviable amb pauses bloquejants i com se soluciona.

Per moure la barrera d'un aparcament pots utilitzar un servomotor o un motor de corrent continu. Compara tots dos: quin arriba a una posició exacta i es queda quiet, quin gira sense parar, quin necessita menys electrònica extra en aquest projecte i per què.

El teu programa hauria d'encendre un LED en prémer un botó, però passa al revés: està encès i s'apaga en prémer-lo. Explica dues causes possibles (la lògica del programa està invertida o el polsador està cablejat al contrari, «actiu a nivell baix») i com comprovaries cadascuna.

Un grup d'alumnes ha programat un semàfor per a vianants amb polsador amb la lògica següent: així que el vianant prem el botó, el semàfor de vehicles passa de verd a vermell de manera instantània i el de vianants es posa en verd durant 15 s. Després de provar-ho en una maqueta viària, observen frenades brusques dels vehicles i embussos continus si diversos vianants premen repetidament el botó.

1. a) Justifica dues fallades de seguretat i fluïdesa viària que presenta aquest programa inicial.
2. b) Dissenya el diagrama de flux o la seqüència temporal corregida (indicant entrades, sortides i temps recomanats) per resoldre ambdós problemes, incorporant una fase de transició (ambre) i garantint un temps mínim de verd continu per a cotxes abans d'atendre una altra petició de vianants.
3. c) Si vols afegir un avisador acústic intermitent per a persones amb discapacitat visual durant els últims 3 s del verd per a vianants, com has de modificar la temporització d'aquesta sortida?

En un aparcament de 10 places controlat per barrera, un estudiant proposa aquest algorisme: «El sensor d'entrada suma 1 als cotxes a dins en detectar un vehicle i obre la barrera; el sensor de sortida resta 1 en sortir; si els cotxes a dins arriben a 10, s'encén el llum de COMPLET i la barrera no s'obre». Durant la primera setmana de proves, el sistema marca COMPLET havent-hi places buides, i de vegades la barrera colpeja el sostre dels cotxes.

1. a) Analitza i identifica dues situacions físiques reals per les quals el comptador es descuadra amb el pas de les hores (pistes: vehicles que se'n desdiuen després de trepitjar el sensor, pas de vianants, falses deteccions).
2. b) Dissenya la lògica de control completa (especificant condicions amb els sensors d'entrada, barrera i sortida) perquè el recompte sigui fiable i no depengui d'una sola lectura instantània.
3. c) Quina condició de seguretat ha de tenir prioritat absoluta en la programació per garantir que la barrera mai no baixi mentre hi hagi un obstacle o vehicle creuant?

T'encarreguen dissenyar el sistema de control i registre d'una estació ambiental per a un hivernacle escolar mitjançant una placa programable.

1. a) Selecciona tres sensors adequats per monitorar les condicions de les plantes, classifica'ls en analògics o digitals i justifica la freqüència de mostreig idònia per a cadascun (argumenta per què mesurar la temperatura cada 10 ms seria un error tècnic i per què mesurar-la un cop al dia resultaria insuficient).
2. b) Escriu la condició lògica booleana que activi simultàniament la ventilació i el reg automàtic si la temperatura supera els 32 °C i la humitat del sòl cau per sota del 30 %.
3. c) En revisar les dades del registre gràfic diari, observes que a les 13:00 la lectura de lluminositat és màxima, però la sonda de temperatura marca sobtadament 0 °C durant 15 minuts abans de tornar a 28 °C. Interpreta aquesta anomalia justificant si es deu a un fenomen meteorològic o a una fallada instrumental (cablejat/sensor).

Un robot mòbil programat amb Arduino funciona perfectament mentre està connectat a l'ordinador mitjançant el cable USB (les rodes giren a l'aire i el programa executa tota la seqüència). No obstant això, en desconnectar l'USB, alimentar-lo amb un portapiles de 4 piles AA (6 V) connectat tant a la placa com als motors, i posar-lo a terra, passa el següent: en l'instant exacte en què els motors intenten arrencar per vèncer el fregament, el LED d'encesa de la placa parpelleja lleugerament, el robot fa una petita sacsejada i el programa es reinicia des de la primera línia en un bucle continu.

1. a) Interpreta i justifica la causa físicoelèctrica d'aquesta fallada: què passa amb la demanda de corrent dels motors en el moment de l'arrencada i com repercuteix en la tensió que rep el microcontrolador?
2. b) Per què aquest problema no es va manifestar mentre el robot feia les proves connectat per USB amb les rodes a l'aire?
3. c) Proposa i justifica dues modificacions tècniques en el circuit d'alimentació per resoldre aquest problema definitivament i garantir l'estabilitat del microcontrolador.

Has de dissenyar el sistema de control autònom per a un robot missatger de biblioteca que transporta llibres entre dos llocs (Taula 1 i Taula 2) guiant-se per una línia a terra. El cicle complet consisteix a: esperar l'ordre de sortida mitjançant un polsador, seguir la línia fins a trobar una marca transversal d'aturada, aturar-se i avisar amb un brunzidor durant 3 s, esperar que l'usuari retiri el llibre (detectat per un sensor de presència o pes), i tornar a la Taula 1 fent un gir de 180° per quedar a punt per al següent servei.

1. a) Identifica els sensors i actuadors requerits, classificant cadascun segons si és d'entrada o de sortida.
2. b) Dissenya la màquina d'estats o diagrama de flux del sistema, indicant amb precisió els diferents estats del robot i quina condició desencadena la transició a l'estat següent.
3. c) Afegeix al disseny un protocol de seguretat reactiva: quin sensor has d'incorporar i com ha d'actuar el bucle principal si un alumne es creua a menys de 20 cm del robot en moviment?