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 una computadora 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 interruptor de límite (final de carrera).

Las salidas digitales de la placa solo dan dos valores ($0\ \text{V}$ o $5\ \text{V}$). Explica qué puede controlarse 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 ancho de pulso): 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 ultrasonido 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 $V = \frac{600}{1023} \times 5$. (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 presionado 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 del voltaje que «ve» una carga lenta como un LED o un motor, $V_\text{media} = 5 \times 0.25$. (c) Explica qué valor medio daría un ciclo del $75\ \%$ y cómo se regula así el brillo o la velocidad.

Puedes hacerlo en papel y enviar una foto con tu respuesta.

La figura muestra un sistema de medida de luz con una placa microcontroladora: una LDR llega a una entrada analógica (A0) y un LED sale por un pin digital (D9). El interior de la placa está marcado con una interrogación.

1. a) Explica qué contiene la caja central marcada con la interrogación, es decir, qué hace el programa que se ejecuta en la función loop entre la lectura de A0 y la salida D9.

1. b) Redacta en pseudocódigo ese programa para que el LED se encienda cuando la lectura de la LDR supere un umbral.

1. c) Indica qué dos componentes externos imprescindibles faltan en el dibujo para que el circuito funcione de verdad.

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 $T = \frac{lectura}{1023} \times 100$. (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 controlar 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.

Un técnico programa el control de refrigeración de un servidor con una placa microcontroladora. Diseña la lógica elemental: «si $T > 30.0\ ^\circ\text{C} \rightarrow$ activar ventilador; en caso contrario $\rightarrow$ apagar ventilador». Al probar el prototipo en una cámara climática alrededor de los $30.0\ ^\circ\text{C}$, observa que el relé del ventilador conmuta frenéticamente varias veces por segundo, produciendo un zumbido continuo y sobrecalentando el actuador.

(a) Interpreta el origen físico y computacional de este problema, considerando el ruido inherente a la lectura analógica del sensor y la inercia térmica del sistema.

(b) Rediseña el algoritmo implementando control por histéresis con umbrales en $31.0\ ^\circ\text{C}$ (encendido) y $28.0\ ^\circ\text{C}$ (apagado). Escribe la lógica en pseudocódigo y justifica por qué es indispensable consultar el estado actual del ventilador o usar una variable de estado.

(c) La sonda de temperatura entrega una tensión analógica de $10\ \text{mV}/^\circ\text{C}$ ($0\ \text{V}$ a $0\ ^\circ\text{C}$) conectada al conversor ADC de $10\ \text{bits}$ de la placa ($V_{\text{ref}} = 5.0\ \text{V}$). Calcula el valor entero exacto ($0$ a $1023$) que leerá la función analogRead() para cada uno de los dos umbrales programados.

Un equipo de estudiantes conecta una fotorresistencia (LDR) a la entrada analógica A0 de una placa microcontroladora ($10\ \text{bits}$, rango de $0$ a $1023$) mediante un divisor de voltaje. Al calibrar en condiciones reales, registran una lectura digital de $120$ en oscuridad y de $870$ a máxima luz solar.

(a) Deduce la función matemática de interpolación lineal que transforma cualquier lectura bruta $L$ en un porcentaje de iluminación $P \in [0, 100]\ \%$. Calcula el valor porcentual si el ADC entrega una lectura de $495$.

(b) Un estudiante implementa en el código la línea: int porcentaje = (lectura - 120) / 750 * 100;. Al abrir el monitor serie, comprueba que la variable siempre vale $0$ para cualquier nivel de luz intermedio y salta repentinamente a $100$ con sol directo. Diagnostica la causa del error en la aritmética del procesador y escribe la instrucción corregida manteniendo operaciones con números enteros.

(c) Si la resistencia de polarización del divisor se desconecta accidentalmente, la entrada A0 queda en circuito abierto captando lecturas fuera del intervalo calibrado (por ejemplo, $L = 50$). Predice qué problema generará en el cálculo del porcentaje y propón cómo proteger el código mediante funciones de acotación (clamping).

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 tanque vacío) indicando qué sensor o condición añadiría cada una al programa.

Un estudiante programa el semáforo con botón de un cruce peatonal escolar. Escribe un código secuencial donde el verde vehicular permanece encendido mediante la llamada delay(20000); después lee el botón peatonal con un digitalRead() y, si está presionado, conmuta a amarillo ($3\ \text{s}$) y rojo ($10\ \text{s}$). Al instalarlo, los peatones reportan que presionan el botón pero el semáforo parece no responder la inmensa mayoría de las veces.

(a) Interpreta la causa técnica del fallo diagnosticando qué ocurre en la CPU del microcontrolador durante la ejecución de las funciones delay() y por qué se pierden las pulsaciones.

(b) Rediseña la arquitectura del programa utilizando una máquina de estados finitos no bloqueante controlada mediante la función de temporización millis(). Escribe el pseudocódigo del loop() asegurando que la lectura del botón se atienda de forma continua sin detener la ejecución.

(c) Incorpora al diseño dos restricciones de seguridad vial indispensables: 1) garantizar que los vehículos tengan siempre un tiempo de verde mínimo ininterrumpido de $15\ \text{s}$ antes de que cualquier pulsación peatonal pueda provocar el cambio a amarillo; 2) justificar cómo evitar que los rebotes mecánicos (chattering) de los contactos del botón provoquen disparos erráticos del ciclo.

Reto del tema. Imagina que debes diseñar un prototipo de casa inteligente de bajo costo y código abierto para alertar sobre temperaturas extremas en tu casa.

1. Datos reales: Accede a la página web oficial del Servicio Meteorológico Nacional de EE. UU. (NWS) y consulta la temperatura máxima de tu ciudad durante los últimos tres días. Calcula su media aritmética (por ejemplo, $32.4$ °C) para establecerla como umbral crítico de disparo.

2. Diseño en Tinkercad: Crea un circuito basado en hardware libre utilizando una placa tipo Arduino Uno, un sensor de temperatura TMP36 y dos indicadores (un LED verde para estado normal y un LED rojo con zumbador para la alarma).

3. Programación y ensayo: Programa el microcontrolador (mediante bloques o C++) para convertir la señal analógica del sensor a grados Celsius y activar la alarma si supera tu umbral calculado. Simula su respuesta variando la temperatura.

4. Informe técnico: Redacta una propuesta breve (una página) con el esquema del circuito, el código implementado y una reflexión crítica sobre las ventajas del hardware libre frente a los sistemas propietarios cerrados.

Se valorará:

• Obtención rigurosa de los datos del Servicio Meteorológico Nacional (NWS) y su correcta integración matemática en el programa.

• Montaje funcional del circuito y coherencia del código en el simulador.

• Argumentación técnica y ética sobre el uso y democratización del hardware libre.