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Arduino y las puertas analógicas

Convertidores Analógico a digital ADCs

 

Objetivos

 

 

    • Conocer los potenciómetros.
    • Comprender la conversión analógica a digital.
    • Aprender a usar las puertas analógicas de Arduino.

 

Material requerido.

ArduinoUNO Arduino Uno o similarEsta sesión acepta cualquier otro modelo de Arduino
Img_3_4 Una Protoboard.
componenteUn diodo LED.
img_12_1Un potenciómetro de 10KΩ
Img_3_5na resistencia de 330 Ohmios.
Img_3_6Algunos cables de Protoboard..

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Los potenciómetros

 

Hasta ahora hemos usado siempre resistencias fijas, de un valor dado. Pero a veces es conveniente disponer de una señal variable para controlar el circuito que nos interesa. Imaginad el volumen de un equipo de música, o el dial que sintoniza una emisora en una radio FM.

Un potenciómetro es, simplemente, un mecanismo para proporcionar una resistencia variable.

Hay potenciómetros de tantos tamaños, formas y colore,s como podáis imaginar, pero al final son una resistencia fija de un valor dado (10 kΩ en nuestro caso actual) y un mecanismo que permita deslizar un dial conductor sobre esa resistencia, que nos permita tomar una parte de ese valor.

Por eso un potenciómetro siempre tiene 3 pines en fila. Los del extremo se comportan como una resistencia del valor de fondo de escala del potenciómetro, y un pin central que va tomando valores de resistencia en función del movimiento que hagamos con el ajuste.

Vamos a montar  un circuito como este (en el que el potenciómetro esta rotulado Pot1):

img_12_2

 

La idea es conectar 5V y GND a los extremos del Potenciómetro (no importa cual es uno y otro) y luego conectar el pin central al positivo de  un LED y el negativo a GND directo, pasando por una resistencia de limitación.

De este modo cuando giremos el potenciómetro estaremos modificando la tensión que aplicamos a la entrada del LED, que variara entre 0 y 5V (Aunque ahora parezca extraño es muy sencillo) y habremos conseguido un regulador de intensidad del LED.

 
  • Con una resistencia de 10k la intensidad en el circuito será de: 5V / 10.000Ω = 0,5 mA Muy poco para conseguir iluminar el LED que requiere unos 20 mA. Así que durante la mayor parte del giro del potenciómetro el LED estará apagado.
  • Importante: No olvides la resistencia R1.Aunque el potenciómetro limite la intensidad, hay un momento en que llegara a cero y ahí y tu LED fallecerá en acto de servicio.
 

Circuito para protoboard

 

El montaje en la protoboard sería similar a esto ya que vamos a utilizar el Arduino simplemente para dar tensión al circuito y nada más, Veréis que la intensidad de la luz varia de forma continua al girar el potenciómetro.

 

Pot mas LED

 

 
  • Recuerda que debido al exceso de resistencia del potenciómetro de prueba, durante la mayor parte del giro del ajuste el LED estará apagado.
  • Nótese que en este caso utilizamos nuestro Arduino simplemente como fuente de alimentación para dar tensión al circuito.
 

 

Arduino y las entradas analógicas

 

Con Arduino hemos visto que podemos influir en el mundo exterior aplicando salidas todo / nada en los pines digitales y también que usando PWM podemos simular bastante satisfactoriamente señales analógicas en algunos de esos pines.

También hemos visto cómo detectar pulsaciones de botones, definiendo como entradas los pines digitales. Pero en muchas ocasiones los sensores que usamos para supervisar el mundo exterior, nos entregan una señal analógica. Es el caso de los sensores de temperatura o distancia, de presión o PH, de intensidad de corriente en un circuito o de caudal de agua en una tubería.

Para leer este tipo de señales continuas necesitamos un convertidor analógico a digital (o ADC por sus siglas en ingles) y que nos permite leer el valor de una señal analógica en un momento dado.

Estos convertidores toman una muestra del valor actual de la señal y nos entregan su valor instantáneo, medido en Voltios.

Mediante la lectura repetida de muestras a lo largo del tiempo podemos reconstruir la señal original con mayor o menor precisión, dependiendo de la exactitud de nuestra medida y de la velocidad a la que pueda tomar esas muestras.

Img_12_2

Arduino UNO dispone de seis convertidores analógico a digital, nominados de A0 hasta A5, rotuladas como ANALOG IN:

Entradas analogicas

 

Veamos cómo usar las entradas analógicas con un circuito como este, en el que damos tensión a los extremos de un potenciómetro y conectamos el pin central (el variable) a la entrada de la puerta A5 de Arduino:

Esquema protoboard
 
  • Parece buen momento para destacar que los convertidores ADC leen valores de tensión y no resistencia, por lo tanto, lo que vamos a leer es la caída de tensión en el potenciómetro a medida que giramos el ajuste.

 

La primera curiosidad es que no necesitamos declarar en el setup() que vamos a usar una puerta analógica. Y la segunda es que para tomar una muestra (leer) del pin A5, usaremos la instrucción:

int Val = analogRead(A5) ;
 
  • Los convertidores de Arduino UNO y Mega son de 10 bits de resolución por lo que nos devolverá valores entre 0 y 210 = 1.024 para tensiones entre 0 y 5V. En cambio el Arduino DUE dispone de convertidores de 12 bits por lo que el valor de sus lecturas estará entre 0 y 1012 o sea 4.096, es decir tiene mejor resolución(pero sólo puede leer hasta 3,3V).
  • Asegúrate de no usar sensores que puedan dar más de 5V máximo (con Arduino UNO y Mega), ya que dañarías el chip principal de Arduino.

 

Vamos a escribir un programa que lea el valor del pin A5 y lo envíe a la consola para que podamos visualizarlo.

Usando las puertas analógicas

 

Prueba este programa:

void setup()
    {
       Serial.begin(9600);    // Iniciamos la puerta serie
    }
void loop()
    {
       int Lectura = analogRead(A5) ;
       Serial.println( Lectura);
       delay(200) ;
    }

Cuando lo vuelques, arranca la consola y veras que a medida que giras el ajuste las lecturas varían de forma continua reflejando la posición del potenciómetro, las lecturas reflejan la caida en voltios en el.

Img_12_4

 

No puedo resistirme a proponeros esta prueba: Desconecta el potenciómetro de la puerta A5 y observa los resultados que arduino envía a la consola. ¿Porque salen esos valores?

 
  • Al no estar el A5 conectado a ninguna referencia válida, está flotando y los valores que captura son muestra de esa incoherencia. En realidad lo que está haciendo tu Duino es captar ruido aleatorio de radiofrecuencia e intentar darle sentido, pero lo tiene mal, como podeis ver.
  • No obstante en condiciones normales los valores que leerá seran relativamente bajos.¿Quieres que las oscilaciones crezcan en valor?. Fácil. Ponle una antena. Vale un simple cable de protoboard conectado desde el A5 a nada (O si coges el otro extremo entre los dedos, tu mismo haras de antena). Acabas de construir el receptor de Radio frecuencia mas inutil del mundo 

 

Un último comentario

 

Decíamos en una sección anterior, que la fidelidad con que podemos muestrear una señal analógica dependía, básicamente, de la resolución de la muestra y de la velocidad a la que podíamos muestrear la señal (Sample Rate en inglés).

Ya dijimos que la familia Arduino, dispone de convertidores de 10 bits por lo que nuestra resolución es de 210  = 1.024 y en el caso del DUE de 212 = 4.096. Pero hasta ahora no hemos visto a qué velocidad podemos tomar muestras con nuestro Arduino. Vamos a comprobarlo, con este mismo circuito.

Tenemos una función llamada millis() que nos indica en milisegundos el tiempo transcurrido desde que iniciamos Arduino y la podemos usar para ver cuantas muestras podemos tomar por segundo.

void setup()
   {    Serial.begin(9600); }

void loop()
   {     unsigned long T ;
         int n = 0 ;
         T = millis();

         while (millis() <= T + 1000)            // Mientras no pase un Segundo = 1000 mS
             {      analogRead( A5) ;
                    n++ ;                         // Contamos cada vez que leemos
             }
         Serial.println(n);
}
 
  • Hemos usado un unsigned long para guardar millis porque es el tipo que Arduino usa internamente para su reloj. Sería un error manejar millis con un int porque su valor máximo es 32.767 y midiendo milisegundos el contador desbordaría en poca más de 32 segundos.

 

SI corréis este programa en un Arduino UNO os dará, poco más o menos, un resultado de 8.940 muestras o lecturas por segundo. No está mal.

Es adecuado para muestrear señales que no varíen demasiado rápido con el tiempo, como son casi todos los sensores habituales en la industria, pero que se quedará corto si queréis muestrear señales de audio.

 
  • Para jugar con audio es mejor usar un Arduino DUE. Tiene una velocidad de reloj 4 veces más rápida(os hará falta), capacidad de muestreo a velocidad de audio (40Khz) y auténticos convertidores DAC (digital to analog converters).
  •  De hecho no es complicado aumentar la velocidad de muestreo hasta unas 20.000 muestras por segundo con un Arduino UNO, pero para eso tenemos que puentear Arduino y saltar a programar el chip interior Atmega 328. No es momento para ello, pero hay formas.
 

Resumen de la sesión

 

 
    • Ya conocemos el uso del potenciómetro.
    • Hemos presentado los conceptos básicos en la conversión analógica to digital.
    • Aprendimos a leer las puertas analógicas de Arduino.
    • Sabemos que podemos leer las puertas analógicas unas 8.900 veces por segundo con una resolución de 10 bits, o sea entre 0 y 1.024.
    • Conocimos la función millis().

 

 

 

 

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