Microcontroladores y robots

Explique 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.

Explique 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.

Diga si son verdaderas o falsas estas afirmaciones y justifique 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 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 conecte a la placa. Nómbrelo y explique 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.

Clasifique estos elementos según se conecten a un pin de entrada o a un pin de salida de la placa, y justifique 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.

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

Indique qué mide cada sensor que puede conectar a la placa y un proyecto en el que lo usaría: sensor de ultrasonidos (distancia), LDR (luz), sensor de temperatura y sensor infrarrojo de línea (distingue claro de oscuro en el piso).

Indique 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 usted le ordena) y un motor de corriente continua (gira sin parar a más o menos velocidad).

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». Explique por qué (los pines dan muy poca corriente y el motor pediría mucha más), qué papel hace la placa controladora y qué relación tiene esto con el relé de los circuitos electrónicos.

Usted quiere que un LED se encienda cuando la luz del cuarto baje de cierto nivel. Explique qué pin usa para leer la LDR (uno analógico), qué significa fijar un «umbral» en el programa y escriba en pseudocódigo las tres líneas clave: leer, comparar y actuar.

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

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

Diseñe un semáforo con la placa: decida cuántos pines de salida necesita y para qué, escriba la secuencia de estados con sus tiempos (verde $4\ \text{s}$, ámbar $1\ \text{s}$, rojo $4\ \text{s}$) y explique por qué el programa se escribe como un bucle que no termina nunca.

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

El sensor de ultrasonidos mide distancias como un murciélago. Explique 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.

Describa 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?

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

1. a) Prediga qué comportamiento erróneo tendrá el robot si monta los sensores separados solo 1 cm entre sí (distancia menor que el ancho de la línea). ¿Y si los separa 6 cm? Justifique cuál debe ser la separación geométrica óptima.
2. b) Diseñe la tabla de decisiones del robot indicando el estado de cada motor (marcha adelante, paro 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. Justifique qué cambio debe hacer en el control de los motores para lograr un giro mucho más cerrado sobre su propio eje.

Para mover la barrera de un parqueo puede usar un servo o un motor de corriente continua. Compare 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.

Su 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) Compare 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). Analice 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 estudiante comete un error y quema el sensor de temperatura por una sobretensión o inversión de polaridad, analice la repercusión técnica y de costo en la placa integrada frente a la modular.
3. c) Justifique razonadamente cuál de las dos plataformas elegiría para este proyecto final de robótica domótica y para cuál de ellas reservaría una sesión inicial de dos horas de introducción a la programación.

Un robot móvil programado con Arduino funciona perfectamente mientras está conectado a la computadora mediante el cable USB (las ruedas giran al aire y el programa ejecuta toda la secuencia). Sin embargo, al desconectar el USB, alimentarlo con un portapilas de 4 pilas AA (6 V) conectado tanto a la placa como a los motores, y ponerlo en el suelo, ocurre lo siguiente: en el instante exacto en que los motores intentan arrancar para vencer la fricción, el LED de encendido de la placa parpadea levemente, el robot da una pequeña sacudida y el programa se reinicia desde la primera línea en un ciclo continuo.

1. a) Interprete y justifique la causa físico-eléctrica de este fallo: ¿qué ocurre con la demanda de corriente de los motores en el momento del arranque y cómo repercute en la tensión que recibe el microcontrolador?
2. b) ¿Por qué este problema no se manifestó mientras el robot realizaba las pruebas conectado por USB con las ruedas al aire?
3. c) Proponga y justifique dos modificaciones técnicas en el circuito de alimentación para resolver este problema definitivamente y garantizar la estabilidad del microcontrolador.

En un parqueo de 10 espacios controlado por barrera, un estudiante propone este algoritmo: «El sensor de entrada suma 1 a los carros dentro al detectar un vehículo y abre la barrera; el sensor de salida resta 1 al salir; si los carros 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 espacios vacíos, y a veces la barrera golpea el techo de los carros.

1. a) Analice e identifique 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) Diseñe 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?

Usted debe 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) Identifique los sensores y actuadores requeridos, clasificando cada uno según sea de entrada o de salida.
2. b) Diseñe 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) Añada al diseño un protocolo de seguridad reactiva: ¿qué sensor debe incorporar y cómo debe actuar el bucle principal si un estudiante se cruza a menos de 20 cm del robot en movimiento?

Para controlar una barrera de acceso con un pulsador de parada de emergencia, un estudiante programa la siguiente secuencia:

abrir_barrera();

esperar(5000); // pausa fija de 5 s con delay

cerrar_barrera();

En las pruebas, al accionar el botón de emergencia durante la pausa de 5 s o mientras la barrera desciende, el sistema no responde y continúa su ciclo, provocando un impacto.

1. a) Explique a nivel de ejecución del microcontrolador por qué la instrucción de espera fija (delay) bloquea la capacidad de respuesta ante la emergencia.
2. b) Diseñe la estructura algorítmica (en pseudocódigo o diagrama) que permita mantener la barrera abierta 5 s pero comprobando continuamente el pulsador de parada para detener el motor de forma instantánea.
3. c) Si además necesita que un zumbador emita pitidos intermitentes de 0,5 s mientras la barrera se mueve, justifique por qué este requisito resulta inviable con pausas bloqueantes y cómo se soluciona.

Le encargan diseñar el sistema de control y registro de una estación ambiental para un invernadero del colegio mediante una placa programable.

1. a) Seleccione tres sensores adecuados para monitorear las condiciones de las plantas, clasifíquelos en analógicos o digitales y justifique la frecuencia de muestreo idónea para cada uno (argumente por qué medir la temperatura cada 10 ms sería un error técnico y por qué medirla una vez al día resultaría insuficiente).
2. b) Escriba la condición lógica booleana que active simultáneamente la ventilación y el riego automático si la temperatura supera los 32 °C y la humedad del suelo cae por debajo del 30 %.
3. c) Al revisar los datos del registro gráfico diario, usted observa que a las 13:00 la lectura de luminosidad es máxima, pero la sonda de temperatura marca repentinamente 0 °C durante 15 minutos antes de volver a 28 °C. Interprete esta anomalía justificando si se debe a un fenómeno meteorológico o a un fallo instrumental (cableado/sensor).

Un grupo de estudiantes ha programado un semáforo peatonal con pulsador con la siguiente lógica: en cuanto la persona peatona 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) Justifique dos fallos de seguridad y fluidez vial que presenta este programa inicial.
2. b) Diseñe 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 carros antes de atender otra llamada peatonal.
3. c) Si quiere añadir un avisador acústico intermitente para personas con discapacidad visual durante los últimos 3 s del verde peatonal, ¿cómo debe modificar la temporización de esa salida?