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Entradas y Salidas Digitales Arduino

Una señal digital es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético en que cada signo que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango. Por ejemplo, el interruptor de la luz sólo puede tomar dos valores o estados: abierto o cerrado, o la misma lámpara: encendida o apagada.

Más información:

Los sistemas digitales, como por ejemplo un microcontrolador, usan la lógica de dos estados representados por dos niveles de tensión eléctrica, uno alto, H y otro bajo, L (de High y Low, respectivamente, en inglés). Por abstracción, dichos estados se sustituyen por ceros y unos, lo que facilita la aplicación de la lógica y la aritmética binaria. Si el nivel alto se representa por 1 y el bajo por 0, se habla de lógica positiva y en caso contrario de lógica negativa.

Cabe mencionar que, además de los niveles, en una señal digital están las transiciones de alto a bajo y de bajo a alto, denominadas flanco de bajada y de subida, respectivamente. En una señal digital, se denomina flanco a la transición del nivel bajo al alto (flanco de subida) o del nivel alto al bajo (flanco de bajada).

Características de las Señales Digitales

Flanco vs Pulso

Periodo, ancho de pulso, flancos

Tipos de señales digitales

  • Discreta: puede tomar un conjunto de valores
  • Binaria: Encendido (1) – Apagado (0)

Tecnologías de construcción

Arduino trabaja con tecnología TTL (transistor-transistor logic): http://es.wikipedia.org/wiki/Tecnolog%C3%ADa_TTL

Características

  • Su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los 4,75V y los 5,25V. Normalmente TTL trabaja con 5V.
  • Los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida entre 0,0V y 0,8V para el estado L (bajo) y los 2,4V y Vcc para el estado H (alto).
  • La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor base, si bien esta característica le hace aumentar su consumo siendo su mayor enemigo. Motivo por el cual han aparecido diferentes versiones de TTL como FAST, LS, S, etc y últimamente los CMOS: HC, HCT y HCTLS. En algunos casos puede alcanzar poco más de los 250 MHz.
  • Las señales de salida TTL se degradan rápidamente si no se transmiten a través de circuitos adicionales de transmisión (no pueden viajar más de 2 m por cable sin graves pérdidas).

Tecnología CMOS: https://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_complementario_de_%C3%B3xido_met%C3%A1lico

Comparación TTL y CMOS: http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/2D038D3AE1C35011862565A8005C5C63

Los nuevos arduinos basados en procesadores ARM de 32 bits, usan tecnología TTL a 3.3V

Entradas y Salidas Digitales en Arduino

En arduino los pines digitales se describen y tienen la propiedades siguientes:  http://arduino.cc/en/Tutorial/DigitalPins

En arduino para tratar las entradas y salidas digitales usamos las siguientes funciones:

En Visualino disponemos de las funciones para leer de entradas digitales y escribir en salidas digitales en la agrupación de bloques “Pin Functions”. Visualino pone automáticamente el pinMode dependiendo si he elegido leer o escribir sobre el pin.

En la imagen siguiente se muestra el estado por defecto de una I/O digital en un microcontrolador de Arduino. Se ha simplificado con interruptores la compleja electrónica que hay dentro. Por defecto los digital I/O pins están configurados como inputs en un estado de alta impedancia (equivalente a una resistencia de 100 Mohms en frente del pin), es decir, SW3 a ON y no hace falta llamar a la función pinMode() aunque es recomendable para aclarar el código.

  • PinMode(x, INPUT) –> SW3 = ON (resto a OFF). Los valores leídos serán aleatorios si el pin de Arduino está al aire. El pin está en un estado de alta impedancia (resistencia de 100 Mohms).
  • PinMode(x,INPUT_PULLUP) –> SW3 = ON & SW4 = ON (resto a OFF). Los valores leídos sin nada conectado al pin es HIGH. La Resistencia R1 tiene un valor dependiendo del microcontrolador, pero tiene un valor entre 20kOhm y 150kOhm.
  • PinMode(x, OUTPUT) & digitalWrite(x,HIGH) –> SW2 = ON & SW1 = +5V (resto a OFF). Estado de baja impedancia, no hay resistencia interna y es necesario poner una resistencia adecuada a la salida el pin para no superar los 40mA (source) máximos admitidos
  • PinMode(x, OUTPUT) & digitalWrite(x,LOW) –> SW2 = ON & SW1 = GND (resto a OFF). Estado de baja impedancia, no hay resistencia interna y es necesario poner una adecuada para no superar los 40mA (sink) máximos admitidos

Más información sobre pullup resistors: https://learn.sparkfun.com/tutorials/pull-up-resistors

En el caso que el pin esté configurado como OUTPUT, hay diferencia entre sink (recogida de corriente) y source (fuente de corriente) de un pin digital configurado como salida.

En el primer caso para encender el LED debe ponerse digitalWrite() a HIGH y en el segundo a LOW

 

En el caso que el pin de entrada esté configurado como INPUT. Cuando el botón no está pulsado, en el primer caso leo digitalRead() un valor HIGH y en el segundo LOW y cuando pulso el botón, en el primer caso leo digitalRead() un valor LOW y en el segundo HIGH. Como véis, dependiendo de la configuración de lo conectado cambia lo leído. Estas configuraciones se denominan resistencias de pull up y resistencia de pull down respectivamente.

En el caso que el pin de entrada configurado como INPUT_PULLUP. Si el botón no está pulsado leo HIGH (no se producen lecturas aleatorias con el pin al aire) y cuando pulso el botón leo LOW. Esta es la mejor forma de leer entradas digitales sin necesidad de poner elementos externos a Arduino.

Más información sobre como usar las internal pullups: https://www.baldengineer.com/arduino-pull-ups.html

NOTA: muy buen tutorial para entender las resistencias de pullup y pulldown http://www.instructables.com/id/Understanding-the-Pull-up-Resistor-With-Arduino/

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Prácticas Repaso

Test Repaso

Realizar este test con 20 preguntas para evaluar los conocimientos de Arduino: testmoz.com/1332065

Para entrar poner vuestro nombre seguido de # + “número kit”

Por ejemplo Enrique#99

passcode: AprendiendoArduino2017

Práctica: Ejemplos Básicos con Arduino

Repasar cada uno de los ejemplos básicos:

  • Leer entradas digitales
  • Leer entrada digital sin referencia externa
  • Leer entradas analógicas
  • Leer entrada analógica mejorada
  • Escribir salida analógica
  • Escribir salida digital con acción de un botón
  • Mejora de botón para evitar rebotes
  • Contar pulsaciones

Ejemplos básicos con Arduino: http://jecrespo.github.io/ArduinoBasicExamples/

Práctica: Detectar Flanco

Hacer un sistema de encendido y apagado de un led mediante una pulsación. Con una pulsación enciende y con otra apaga el led. Para hacer esto debemos detectar flancos al encender y apagar.

Usar la resistencia interna de pull up de Arduino para detectar la pulsación de un botón en el pin 2 (leer estado de una entrada digital) y encender/apagar el led puesto en el pin 10 (no olvidar la resistencia) al detectar un flanco ascendente. Adicionalmente sacar por el monitor serie el estado de pulsación del botón con un 1 (pulsado) o un 0 (no pulsado) y en la misma línea el estado del led con un 3 (led encendido) y 0 (led apagado), de esta forma abriendo el Serial Plotter es posible ver cuando se enciende y apaga el led al detectar flancos.

Esquema de conexión:

Resultado:

Solución Ejercicio01: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_Avanzado_2017/tree/master/Ejercicio01-Detectar_Flanco

Solución a los Rebotes (Debounce)

Los rebotes son las falsas pulsaciones que se producen al hacer falsos contactos en el interruptor.

Para ello esperar un tiempo llamado debounceDelay para comprobar que el cambio de estado se mantiene y no son rebotes (ruido).

Más información https://www.arduino.cc/en/Tutorial/Debounce

Solución Ejercicio02: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_Avanzado_2017/tree/master/Ejercicio02-Detectar_Flanco_Debounce

Otra forma de solucionar los rebotes por código:

http://miarduinounotieneunblog.blogspot.com.es/2016/01/pulsador-antirrebote-con-contador-de.html ¿véis algún problema con esta solución?

Solución: El código puede quedarse durante mucho tiempo en la función antirrebote(), bloqueado Arduino para hacer otras tareas.

Solucionar rebotes por HW:

Calculadora de valores para debouncing: http://protological.com/debounce-calaculator/

Práctica: Medir valor de un Condensador

Usar un Arduino para medir el valor de un Condensador.

Ver: https://www.arduino.cc/en/Tutorial/CapacitanceMeter

Esquema de conexión:

¡ATENCIÓN! Poner un condensador de 100uF y asegurarse de poner correctamente la polaridad. Símbolo – (patilla con símbolo – – – -) a masa.

La resistencia R tiene un valor de 10Kohms

Al conectar un condensador en serie con una resistencia, a una fuente de tensión eléctrica (o comúnmente, fuente de alimentación), la corriente empieza a circular por ambos. El condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito.

Explicación del sketch:

  • Configurar el pin de descarga a INPUT (alta impedancia de modo que no pueda descargar el condensador). Pin 11.
  • Registre el tiempo de inicio con millis ()
  • Establecer el pin de carga en OUTPUT y ponerlo a HIGH. Pin 13.
  • Compruebe la tensión repetidamente en un bucle hasta que llegue a 63.2% de la tensión total.
  • Después de cargar, restar el tiempo actual de la hora de inicio para averiguar cuánto tiempo le costó al condensador para cargar.
  • Dividir el Tiempo en segundos por la resistencia de carga en ohmios para encontrar la Capacitancia.
  • Imprimir por serial el valor con serial.print
  • Descargue el condensador. Para hacer esto:
    • Establezca el pin de carga en la entrada
    • Configurar el de descarga en OUTPUT y haga que sea LOW
    • Leer el voltaje para asegurarse de que el condensador está completamente descargado
    • Loop y hacerlo de nuevo

Para asegurarse que el condensador está descargado, asegurarse de quitar alimentación cuando lo indique el sketch por pantalla.

Solución Ejercicio03: https://github.com/jecrespo/aprendiendoarduino-Curso_Arduino_Avanzado_2017/tree/master/Ejercicio03-Medidor_Condensadores

Para ampliar la explicación del ejercicio https://www.arduino.cc/en/Tutorial/CapacitanceMeter

Más Prácticas

Otros ejemplos sencillos de prácticas con Arduino en https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2017/07/04/ejemplos-sencillos-arduino/, usando este montaje de prácticas https://aprendiendoarduino.wordpress.com/2017/07/02/montaje-practicas/

  • Leer LDR
  • Contar Pulsos
  • Mover Servo

Entradas y salidas Digitales

Una señal digital es un tipo de señal generada por algún tipo de fenómeno electromagnético en que cada signo que codifica el contenido de la misma puede ser analizado en término de algunas magnitudes que representan valores discretos, en lugar de valores dentro de un cierto rango. Por ejemplo, el interruptor de la luz sólo puede tomar dos valores o estados: abierto o cerrado, o la misma lámpara: encendida o apagada.

Más información:

Los sistemas digitales, como por ejemplo un microcontrolador, usan la lógica de dos estados representados por dos niveles de tensión eléctrica, uno alto, H y otro bajo, L (de High y Low, respectivamente, en inglés). Por abstracción, dichos estados se sustituyen por ceros y unos, lo que facilita la aplicación de la lógica y la aritmética binaria. Si el nivel alto se representa por 1 y el bajo por 0, se habla de lógica positiva y en caso contrario de lógica negativa.

Cabe mencionar que, además de los niveles, en una señal digital están las transiciones de alto a bajo y de bajo a alto, denominadas flanco de bajada y de subida, respectivamente.

En una señal digital, se denomina flanco a la transición del nivel bajo al alto (flanco de subida) o del nivel alto al bajo (flanco de bajada).

En la siguiente imagen el flanco de bajada es detectado por el retardo que realiza la compuerta not así cuando a la entrada haya un uno, las dos entradas de la or negada serán uno y cero, por tanto la salida será de cero, pero en el momento en que la entrada sea de cero la conexión directa que hay a la or negada nos dará un cero inmediato en una de sus entradas, mientras que por el retardo que presenta la not también tendremos un cero y esto nos generará un uno a la salida por unos momentos, o sea la detección del flanco de bajada.

Características de las Señales Digitales

Flanco vs Pulso

Periodo, ancho de pulso, flancos

Tipos de señales digitales

  • Discreta: puede tomar un conjunto de valores
  • Binaria: Encendido (1) – Apagado (0)

Tecnologías de construcción

Arduino trabaja con tecnología TTL (transistor-transistor logic):

http://es.wikipedia.org/wiki/Tecnolog%C3%ADa_TTL

Características

  • Su tensión de alimentación característica se halla comprendida entre los 4,75V y los 5,25V. Normalmente TTL trabaja con 5V.
  • Los niveles lógicos vienen definidos por el rango de tensión comprendida entre 0,0V y 0,8V para el estado L (bajo) y los 2,4V y Vcc para el estado H (alto).
  • La velocidad de transmisión entre los estados lógicos es su mejor base, si bien esta característica le hace aumentar su consumo siendo su mayor enemigo. Motivo por el cual han aparecido diferentes versiones de TTL como FAST, LS, S, etc y últimamente los CMOS: HC, HCT y HCTLS. En algunos casos puede alcanzar poco más de los 250 MHz.
  • Las señales de salida TTL se degradan rápidamente si no se transmiten a través de circuitos adicionales de transmisión (no pueden viajar más de 2 m por cable sin graves pérdidas).

Tecnología CMOS: https://es.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_complementario_de_%C3%B3xido_met%C3%A1lico

Comparación TTL y CMOS: http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/2D038D3AE1C35011862565A8005C5C63

Los nuevos arduinos basados en procesadores ARM de 32 bits, usan tecnología TTL a 3.3V

Entradas y Salidas Digitales en Arduino

En arduino los pines digitales se describen y tienen la propiedades siguientes:  http://arduino.cc/en/Tutorial/DigitalPins

En arduino para tratar las entradas y salidas digitales usamos las siguientes funciones:

En la imagen siguiente se muestra el estado por defecto de una I/O digital en un microcontrolador de Arduino. Se ha simplificado con interruptores la compleja electrónica que hay dentro. Por defecto los digital I/O pins están configurados como inputs en un estado de alta impedancia (equivalente a una resistencia de 100 Mohms en frente del pin), es decir, SW3 a ON y no hace falta llamar a la función pinMode() aunque es recomendable para aclarar el código.

  • PinMode(x, INPUT) –> SW3 = ON (resto a OFF). Los valores leídos serán aleatorios si el pin de Arduino está al aire. El pin está en un estado de alta impedancia (resistencia de 100 Mohms).
  • PinMode(x,INPUT_PULLUP) –> SW3 = ON & SW4 = ON (resto a OFF). Los valores leídos sin nada conectado al pin es HIGH. La Resistencia R1 tiene un valor dependiendo del microcontrolador, pero tiene un valor entre 20kOhm y 150kOhm.
  • PinMode(x, OUTPUT) & digitalWrite(x,HIGH) –> SW2 = ON & SW1 = +5V (resto a OFF). Estado de baja impedancia, no hay resistencia interna y es necesario poner una resistencia adecuada a la salida el pin para no superar los 40mA (source) máximos admitidos
  • PinMode(x, OUTPUT) & digitalWrite(x,LOW) –> SW2 = ON & SW1 = GND (resto a OFF). Estado de baja impedancia, no hay resistencia interna y es necesario poner una adecuada para no superar los 40mA (sink) máximos admitidos

En el caso que el pin esté configurado como OUTPUT, hay diferencia entre sink (recogida de corriente) y source (fuente de corriente) de un pin digital configurado como salida.

En el primer caso para encender el LED debo poner digitalWrite() a HIGH y en el segundo a LOW

 

En el caso que el pin de entrada esté configurado como INPUT. Cuando el botón no está pulsado, en el primer caso leo digitalRead() un valor HIGH y en el segundo LOW y cuando pulso el botón, en el primer caso leo digitalRead() un valor LOW y en el segundo HIGH. Como véis, dependiendo de la configuración de lo conectado cambia lo leído. Estas configuraciones se denominan resistencias de pull up y resistencia de pull down respectivamente.

 

En el caso que el pin de entrada configurado como INPUT_PULLUP. Si el botón no está pulsado leo HIGH (no se producen lecturas aleatorias con el pin al aire) y cuando pulso el botón leo LOW. Esta es la mejor forma de leer entradas digitales sin necesidad de poner elementos externos a Arduino.

Más información sobre como usar las internal pullups: https://www.baldengineer.com/arduino-pull-ups.html