Ejercicios: Microcontroladores y hardware libre

Explica qué es un microcontrolador y qué tres bloques básicos integra en un solo chip (procesador, memoria para el programa y los datos, y puertos de entrada/salida). Compara su tamaño y su potencia con los de un ordenador personal.

Arduino es el ejemplo más conocido de hardware libre. Explica qué significa que su hardware sea libre (los esquemas y diseños de la placa son públicos y cualquiera puede fabricarla o modificarla) y nombra dos ventajas que esto tiene para quien aprende electrónica.

Las entradas de la placa pueden ser digitales (solo leen dos estados: $0\ \text{V}$ o $5\ \text{V}$) o analógicas (leen un valor intermedio). Clasifica estas señales de entrada: (a) un pulsador, (b) un potenciómetro girado a la mitad, (c) un sensor de luz que da una tensión proporcional al brillo y (d) un final de carrera.

Las salidas digitales de la placa solo dan dos valores ($0\ \text{V}$ o $5\ \text{V}$). Explica qué puede gobernarse directamente con ese tipo de señal (un LED, un relé, un zumbador) y qué limitación tiene si se quiere un brillo o una velocidad intermedios.

Explica qué es una señal PWM (modulación por anchura de pulsos): una salida que conmuta muy rápido entre $0\ \text{V}$ y $5\ \text{V}$ y, según la proporción de tiempo en alto, simula un valor intermedio. Pon el ejemplo de regular el brillo de un LED.

Todo programa para estas placas tiene dos partes: setup y loop. Explica qué se escribe en cada una (en setup, lo que se prepara una sola vez, como configurar los pines; en loop, lo que se repite sin parar mientras la placa esté encendida) y por qué esa estructura encaja con una máquina de control.

Se conecta un LED a un pin de salida de la placa ($5\ \text{V}$). Explica qué componente debe intercalarse siempre (una resistencia en serie) y qué dos cosas puede dañar su ausencia: el propio LED o el pin de la placa, que solo puede dar unos $20\ \text{mA}$.

Clasifica estos elementos como sensor (entrada) o actuador (salida) de un sistema con microcontrolador: (a) una sonda de temperatura, (b) un motor, (c) un micrófono, (d) una tira de LED, (e) un sensor de distancia por ultrasonidos y (f) una electroválvula de riego.

Un programa configura el pin 8 como salida en el setup y, en el loop, escribe el pin en alto, espera $1\ \text{s}$, lo escribe en bajo y espera $1\ \text{s}$. (a) Describe qué hace un LED conectado a ese pin. (b) Calcula el periodo del parpadeo y su frecuencia en hercios. (c) Explica qué cambiarías en el programa para que parpadeara el doble de rápido.

La entrada analógica de la placa convierte una tensión entre $0\ \text{V}$ y $5\ \text{V}$ en un número entre $0$ y $1023$. Un programa enciende un aviso si la lectura supera $600$. (a) Calcula a qué tensión corresponde el umbral $600$, con $V = \frac{600}{1023} \cdot 5$. (b) Explica con tus palabras qué hace el programa y por qué el umbral se elige con margen respecto al valor típico en reposo.

La figura muestra el esquema de una placa microcontroladora tipo Arduino con sus grupos de pines, con un pin marcado con una interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Identifica los grupos de pines de la placa: digitales, analógicos y de alimentación. (b) El pin marcado con la interrogación está dentro de la fila digital y tiene el símbolo ~: explica qué puede hacer además de dar $0\ \text{V}$ o $5\ \text{V}$. (c) Indica a qué pin conectarías cada elemento y por qué: un pulsador, un potenciómetro y un LED de brillo regulable.

Escribe en pseudocódigo el programa completo (setup y loop) para que un LED conectado al pin 9 se encienda mientras se mantenga pulsado un botón conectado al pin 2, y se apague al soltarlo. Explica la configuración de cada pin en el setup (entrada o salida).

Una salida PWM de $5\ \text{V}$ trabaja con un ciclo del $25\ \%$ (un cuarto del periodo en alto). (a) Dibuja en tu cuaderno dos periodos de la señal. (b) Calcula el valor medio de la tensión que «ve» una carga lenta como un LED o un motor, $V_\text{media} = 5 \cdot 0{,}25$. (c) Explica qué valor medio daría un ciclo del $75\ \%$ y cómo se regula así el brillo o la velocidad.

La figura muestra un sistema de medida de luz con una placa microcontroladora: una LDR llega a una entrada analógica y un LED sale por un pin digital, con el interior de la placa marcado con una interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Explica qué contiene la caja central marcada con la interrogación (el programa que se ejecuta en el loop). (b) Redacta en pseudocódigo ese programa para que el LED se encienda cuando la lectura de la LDR supere un umbral. (c) Indica qué dos componentes externos imprescindibles faltan en el dibujo para que el circuito funcione de verdad (la resistencia que forma el divisor con la LDR y la resistencia del LED).

Un sensor de temperatura se conecta a una entrada analógica: la lectura $0$ corresponde a $0\ ^\circ\text{C}$ y la lectura $1023$, a $100\ ^\circ\text{C}$. (a) Calcula a qué temperatura corresponde una lectura de $512$, suponiendo la relación proporcional $T = \frac{lectura}{1023} \cdot 100$. (b) Calcula qué lectura daría una temperatura de $35\ ^\circ\text{C}$. (c) Explica por qué esta conversión es necesaria antes de mostrar el dato a una persona usuaria.

Un programa para gobernar un LED por el pin 7 no funciona: en el loop se escribe el pin en alto y en bajo, pero el LED nunca se enciende. Revisando el setup, nadie configuró el pin como salida. Explica por qué ese olvido impide que funcione (por defecto los pines quedan como entradas) y reescribe el setup correcto en pseudocódigo.

Se programa un termostato con ventilador: la placa lee una sonda de temperatura por A0 y gobierna el ventilador por D5. (a) Escribe en pseudocódigo el programa completo (setup y loop) para que el ventilador se encienda por encima de $30\ ^\circ\text{C}$ y se apague por debajo de $28\ ^\circ\text{C}$. (b) Explica qué es esa banda de $2\ ^\circ\text{C}$ (histéresis) y por qué sin ella el ventilador se encendería y apagaría muchas veces por minuto al rondar el umbral.

Un sensor de luz da lecturas entre $100$ (oscuridad total) y $900$ (sol directo) y se quiere mostrar el resultado como porcentaje de luz entre $0\ \%$ y $100\ \%$. (a) Escribe la expresión que convierte cualquier lectura $L$ en porcentaje, $p = \frac{L - 100}{900 - 100} \cdot 100$. (b) Calcula el porcentaje para una lectura de $500$. (c) Explica por qué esta calibración con los valores realmente medidos (en vez de los teóricos $0$ y $1023$) da resultados más útiles.

La figura muestra el esquema de un sistema de riego automático con placa microcontroladora: una sonda de humedad del suelo llega a A0 y la salida D7 gobierna la bomba a través de una pieza marcada con una interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Identifica la pieza marcada con la interrogación (el elemento que permite a una salida de $5\ \text{V}$ y pocos $\text{mA}$ gobernar una bomba de $230\ \text{V}$) y explica su función. (b) Describe las entradas y salidas del sistema y el ciclo de funcionamiento completo. (c) Propón dos mejoras razonables (no regar de noche o con lluvia, aviso de depósito vacío) indicando qué sensor o condición añadiría cada una al programa.

Una estación meteorológica con placa microcontroladora se alimenta de una batería de $9\ \text{V}$ y $500\ \text{mA} \cdot \text{h}$. (a) Midiendo y transmitiendo de continuo consume $50\ \text{mA}$: calcula la autonomía en horas. (b) En modo ahorro (dormir la placa y despertarla un momento cada minuto) el consumo medio baja a $5\ \text{mA}$: calcula la nueva autonomía. (c) Razona por qué «dormir» el procesador es la estrategia clave en los dispositivos autónomos a batería.

Un pulsador conectado a una entrada digital da lecturas aleatorias cuando no está pulsado. El fallo es que la entrada queda «flotante», sin referencia. (a) Explica qué significa que una entrada flote y por qué lee valores impredecibles (capta ruido eléctrico del ambiente). (b) Explica cómo lo resuelve una resistencia pull-down a masa (fija un $0$ definido cuando el pulsador está suelto). (c) Describe el montaje completo: qué pasa con la tensión del pin al pulsar y al soltar.

Se quiere variar la velocidad de un motor de $5\ \text{V}$ y $500\ \text{mA}$ desde la placa. (a) Explica por qué el motor no puede conectarse directamente a un pin (el pin da como mucho unos $20\ \text{mA}$) y qué componente hace de intermediario gobernado por el pin (un transistor). (b) Explica cómo una señal PWM aplicada a ese transistor regula la velocidad. (c) Razona por qué el transistor trabaja aquí conmutando (todo o nada, miles de veces por segundo) y no en su zona de amplificación proporcional.

Una placa microcontroladora y un autómata programable (PLC) hacen trabajos parecidos: leer entradas, ejecutar un programa y gobernar salidas. Compara ambos dispositivos valorando: (a) coste y tamaño; (b) robustez y condiciones de trabajo (una nave industrial frente a una maqueta); (c) facilidad de ampliación y programación; (d) un contexto donde elegirías cada uno, justificándolo.

Diseña un semáforo pulsador para un cruce escolar con una placa microcontroladora: tres LED (rojo, ámbar y verde para los coches) y un pulsador de peatón. (a) Define los estados del sistema (verde fijo, ámbar, rojo con paso de peatones) y sus tiempos. (b) Asigna pines a cada elemento y justifica si son entradas o salidas. (c) Escribe en pseudocódigo la lógica del loop, incluyendo qué ocurre si nadie pulsa nunca (el semáforo permanece en verde para los coches).