Sensores Raspberry Pi

En este artículo, de Rushi Gajjar , autor del libro Sensores Raspberry Pi, verá los requisitos básicos necesarios para construir los proyectos RasPi. No puedes pasar ni un día sin aparatos electrónicos, ¿verdad? La electrónica está en todas partes, desde su cepillo de dientes hasta automóviles y también en aviones y naves espaciales. Este artículo le ayudará a comprender los conceptos de electrónica que pueden resultar muy útiles al trabajar con RasPi.

Es posible que haya leído muchos libros relacionados con la electrónica y es posible que lo hayan aburrido con conceptos cuando realmente deseaba crear o construir proyectos. Creo que debe haber una razón para que se den explicaciones sobre la electrónica y sus aplicaciones.

Una vez que conozca la electrónica, recorreremos los protocolos de comunicación y sus usos con respecto a la comunicación entre componentes electrónicos y las diferentes técnicas para hacerlo. Se enumeran consejos y precauciones útiles antes de comenzar a trabajar con GPIO en RasPi. Luego, comprenderá las funcionalidades de GPIO y hará parpadear el LED usando shell, Python y código C.

Cubramos algunos de los fundamentos de la electrónica.

(Para obtener más recursos relacionados con este tema, consulte aquí).

Terminologías básicas de electrónica

Existen numerosas terminologías utilizadas en el mundo de la electrónica. Desde el hardware hasta el software, hay millones de conceptos que se utilizan para crear productos y proyectos asombrosos. Ya sabéis que el RasPi es un ordenador monoplaca que contiene abundantes componentes electrónicos incorporados, lo que nos hace muy cómodos para controlar e interconectar los diferentes dispositivos electrónicos conectados a través de su puerto GPIO. En general, cuando hablamos de electrónica, es solo el hardware o un circuito formado por varios Circuitos Integrados ( CI ) con diferentes resistencias, condensadores, inductores y muchos más componentes. Pero ese no es siempre el caso; cuando construimos nuestro hardware con circuitos integrados programables, también debemos ocuparnos de la programación interna (el software). Por ejemplo, en un microcontrolador o microprocesador, o incluso en el caso de RasPi, podemos alimentar el programa (técnicamente, grabar / volcar de forma permanente los programas) en los circuitos integrados para que cuando el circuito integrado se encienda, siga los pasos escritos en el programa y se comporta de la manera que queremos. Así funcionan los robots, sus lavadoras y otros electrodomésticos. Todos estos aparatos tienen diferentes complejidades de diseño, que dependen de su aplicación. Hay algunas funciones que pueden ser realizadas tanto por software como por hardware. El diseñador tiene que analizar la compensación experimentando con ambos; por ejemplo, la función de decodificador se puede escribir en el software y también se puede implementar en el hardware conectando circuitos integrados lógicos. El desarrollador tiene que analizar la velocidad, el tamaño (tanto en el hardware como en el software), la complejidad y muchos más parámetros para diseñar este tipo de funciones. El objetivo de discutir estas teorías es tener una idea de lo compleja que puede ser la electrónica. Es muy importante que conozca estas terminologías porque las necesitará con frecuencia mientras construye los proyectos RasPi.

¿Quién descubrió el voltaje? Bien, eso no es importante ahora, comprendamos primero. El concepto básico sigue la física detrás del flujo de agua. El agua puede fluir de dos formas; uno es una cascada (por ejemplo, desde la cima de una montaña hasta el suelo) y el segundo es un flujo contundente usando una bomba de agua. El concepto detrás de la comprensión del voltaje es similar. El voltaje es la diferencia de potencial entre dos puntos, lo que significa que una diferencia de voltaje permite el flujo de cargas (electrones) desde el potencial más alto al potencial más bajo. Para comprender el ejemplo anterior, considere los rayos, que se pueden comparar con una cascada, y las baterías, que se pueden comparar con una bomba de agua. Cuando las baterías están conectadas a un circuito, las reacciones químicas dentro de ellas bombean el flujo de cargas desde el terminal positivo al terminal negativo. El voltaje siempre se menciona en voltios (V). La celda de la batería AA generalmente suministra 3V. Por cierto, el término voltaje recibió su nombre del gran científico Alessandro Volta, quien inventó la celda voltaica, que entonces se conocía como celda de batería.

La corriente es el flujo de cargas (electrones). Siempre que se crea una diferencia de voltaje, hace que la corriente fluya en una dirección fija desde el terminal positivo (superior) al terminal negativo (inferior) (conocido como corriente convencional). La corriente se mide en amperios (A). La corriente de electrones fluye desde el terminal negativo de la batería al terminal positivo. Para evitar confusiones, seguiremos la corriente convencional, que va del terminal positivo al terminal negativo de la batería o de la fuente.

El significado de la palabra "resistir" en el diccionario de Oxford es "intentar detener o prevenir". Como dice la definición, una resistencia simplemente evita el flujo de corriente. Cuando la corriente fluye a través de una resistencia, hay una caída de voltaje en ella. Esta caída depende directamente de la cantidad de corriente que fluye a través de la resistencia y del valor de la resistencia. Existe una fórmula que se usa para calcular la cantidad de caída de voltaje a través de la resistencia (o en el circuito), que también se denomina ley de Ohm ( V =I * R ). La resistencia se mide en ohmios (Ω). Veamos cómo se calcula la resistencia con este ejemplo:si la resistencia es 10Ω y la corriente que fluye desde la resistencia es 1A, entonces la caída de voltaje a través de la resistencia es 10V. Aquí hay otro ejemplo:cuando conectamos LED en una fuente de 5V, conectamos una resistencia de 330Ω en serie con los LED para evitar que los LED se apaguen debido a una corriente excesiva. La resistencia cae algo de voltaje y protege los LED. Usaremos ampliamente resistencias para desarrollar nuestros proyectos.

Una resistencia disipa energía en forma de calor. En contraste con eso, un capacitor almacena energía entre sus dos placas conductoras. A menudo, los condensadores se utilizan para filtrar el voltaje suministrado en los circuitos de filtro y para generar una voz clara en los circuitos amplificadores. Explicar el concepto de capacitancia será demasiado complicado para este artículo, así que permítanme ir al punto principal:cuando tenemos baterías para almacenar energía, ¿por qué necesitamos usar capacitores en nuestros circuitos? Hay varios beneficios de usar un capacitor en un circuito. Muchos libros le dirán que actúa como un filtro o un supresor de sobretensión, y utilizarán términos como suavizado de potencia, desacoplamiento, bloqueo de CC, etc. En nuestras aplicaciones, cuando usamos condensadores con sensores, estos mantienen el nivel de voltaje durante algún tiempo para que el microprocesador tenga tiempo suficiente para leer ese valor de voltaje. Los datos del sensor varían mucho. Debe ser estable siempre que un microprocesador lea ese valor para evitar cálculos erróneos. El tiempo de retención de un capacitor depende de una constante de tiempo RC, que se explicará cuándo lo usaremos realmente.

Ahora, hay un punto interesante a tener en cuenta:cuando hay voltaje disponible en el terminal pero no hay componentes conectados a través de los terminales, no hay flujo de corriente, lo que a menudo se denomina circuito abierto. Por el contrario, cuando se conectan dos terminales, con o sin un componente, y se permite que la carga fluya, se denomina cortocircuito, circuito conectado o circuito cerrado.

Aquí tiene una advertencia:no cortocircuite (conecte directamente) los dos terminales de una fuente de alimentación, como baterías, adaptadores y cargadores. Esto puede causar daños graves, que incluyen daños por incendio y fallas de componentes. Si conectamos un cable conductor sin resistencia, veamos en qué resulta la ley de Ohm:R =0Ω luego I =V / 0, entonces I =∞A. En teoría, esto se llama infinito (incontable), y prácticamente, ¡significa un incendio o una explosión!

En teoría eléctrica, cuando la corriente que fluye a través de un componente no se divide en caminos, es una conexión en serie. Además, si la corriente que fluye a través de cada componente es la misma, se dice que esos componentes están en serie. Si el voltaje en todos los componentes es el mismo, se dice que la conexión está en paralelo. En un circuito, puede haber una combinación de conexiones en serie y en paralelo. Por lo tanto, un circuito puede no ser puramente en serie o en paralelo. Estudiemos los circuitos que se muestran en el siguiente diagrama:

A primera vista, esta figura parece compleja con muchas notaciones, pero veamos cada componente por separado. La figura de la izquierda es una conexión en serie de componentes. La batería suministra voltaje ( V ) y actual ( Yo ). La dirección del flujo de corriente se muestra en el sentido de las agujas del reloj. Como se explicó, en una conexión en serie, la corriente que fluye a través de cada componente es la misma, pero los valores de voltaje en todos los componentes son diferentes. Por lo tanto, V =V1 + V2 + V3 . Por ejemplo, si la batería suministra 12V, entonces el voltaje en cada resistencia es 4V. La corriente que fluye a través de cada resistencia es de 4 mA (porque V =IR y R =R1 + R2 + R3 =3K ).

La figura de la derecha representa una conexión en paralelo. Aquí, cada uno de los componentes recibe el mismo voltaje, pero la corriente se divide en diferentes rutas. La corriente que fluye desde el terminal positivo de la batería es I, que se divide en I1 e I2. Cuando I1 fluye al siguiente nodo, se divide de nuevo en dos partes y pasa por R5 y R6. Por lo tanto, en un circuito paralelo, I =I1 + I2 . El voltaje sigue siendo el mismo en todas las resistencias. Por ejemplo, si la batería suministra 12V, el voltaje en todas las resistencias es de 12V pero la corriente a través de todas las resistencias será diferente. En el ejemplo de conexión en paralelo, la corriente que fluye a través de cada circuito se puede calcular aplicando las ecuaciones de división de corriente. ¡Pruébalo para calcular!

Cuando hay una combinación de circuitos en serie y en paralelo, se necesitan más cálculos y análisis. Las leyes, los nodos y las ecuaciones de malla de Kirchhoff se pueden utilizar para resolver este tipo de circuitos. Todo eso es demasiado complejo para explicarlo en este artículo; puede consultar cualquier libro estándar relacionado con la teoría de circuitos y adquirir experiencia en él.

Ley de la corriente de Kirchhoff:en cualquier nodo (unión) de un circuito eléctrico, la suma de las corrientes que fluyen hacia ese nodo es igual a la suma de las corrientes que fluyen desde ese nodo.

Ley de voltaje de Kirchhoff:la suma dirigida de las diferencias de potencial eléctrico (voltaje) alrededor de cualquier red cerrada es cero.

Las resistencias pull-up y pull-down son una de las terminologías importantes en el diseño de sistemas electrónicos. Como dice el título, hay dos tipos de resistencias de tracción:pull-up y pull-down. Ambos tienen la misma funcionalidad, pero la diferencia es que la resistencia pull-up tira del terminal al voltaje suministrado y la resistencia pull-down tira del terminal al suelo o la línea común. La importancia de conectar una resistencia de tracción a un nodo o terminal es devolver el nivel lógico al valor predeterminado cuando no hay entrada presente en ese terminal en particular. El beneficio de incluir una resistencia pull-up o pull-down es que hace que los circuitos sean susceptibles al ruido, y el nivel lógico (1 o 0) no se puede cambiar a partir de una pequeña variación en términos de voltajes (debido al ruido) en el Terminal. Echemos un vistazo al ejemplo que se muestra en la siguiente figura. Muestra un ejemplo de pull-up con una puerta NOT (una puerta NOT da salida invertida en su terminal OUT; por lo tanto, si uno lógico es la entrada, la salida es cero lógico). Consideraremos los efectos con y sin la resistencia pull-up. Lo mismo es cierto para la resistencia desplegable.

En general, las puertas lógicas tienen alta impedancia en su terminal de entrada, por lo que cuando no hay conexión en el terminal de entrada, se denomina flotante. Ahora, en la figura anterior, no se recomienda la conexión más a la izquierda porque cuando el interruptor está abierto (estado APAGADO), deja el terminal de entrada flotando y cualquier ruido puede cambiar el estado de entrada de la puerta NO. La razón del ruido puede ser cualquiera. Incluso los terminales abiertos pueden actuar como una antena y pueden crear ruido en el pin de la puerta NOT. El circuito que se muestra en el medio es un circuito pull-up sin una resistencia y se recomienda no usarlo. Este tipo de conexión se puede llamar pull-up, pero nunca se debe utilizar. Cuando el interruptor está cerrado (estado ON), el VCC obtiene una ruta directa a tierra, que es lo mismo que un cortocircuito. Una gran cantidad de corriente fluirá desde VCC a tierra y esto puede dañar su circuito.

La figura de la derecha muestra la mejor manera de subir porque hay una resistencia en la que se producirá una caída de voltaje. Cuando el interruptor está abierto, el terminal de la puerta NOT flotará hacia el VCC (levantado), que es el valor predeterminado. Cuando el interruptor está cerrado, el terminal de entrada de la puerta NO se conectará a tierra y experimentará el estado de cero lógico. La corriente que fluye a través de la resistencia será nominal esta vez. Por ejemplo, si VCC =5V, R7 =1K e I =V / R , entonces I =5mA, que está en la región segura. Para el ejemplo del circuito desplegable, puede haber un intercambio entre el interruptor y una resistencia. La resistencia se conectará entre la tierra y el terminal de entrada de la puerta NOT. Al usar sensores y circuitos integrados, tenga en cuenta que si hay una notación de uso de pull-ups o pull-downs en hojas de datos o manuales técnicos, se recomienda usarlos donde sea necesario.

Protocolos de comunicación

Ha sido mucha teoría hasta ahora. Puede haber numerosos componentes, incluidos circuitos integrados y sensores digitales, como periféricos de un microprocesador. Puede haber una gran cantidad de datos con los dispositivos periféricos y puede ser necesario enviarlos al procesador. ¿Cómo se comunican? ¿Cómo entiende el procesador que los datos ingresan y que el sensor los envía? Existe una conexión de línea de datos en serie o en paralelo entre los circuitos integrados y un microprocesador. Las conexiones en paralelo son más rápidas que las seriales, pero son menos preferidas porque requieren más líneas, por ejemplo, 8, 16 o más. Un bus PCI puede ser un ejemplo de comunicación en paralelo. Por lo general, en un circuito complejo o de alta densidad, el procesador está conectado a muchos periféricos y, en ese caso, no podemos tener tantos pines / líneas libres para conectar un solo IC adicional. La comunicación en serie requiere hasta cuatro líneas, según el protocolo utilizado. Aún así, no se puede decir que la comunicación en serie sea mejor que en paralelo, pero se prefiere en serie cuando entran en juego recuentos bajos de pines. En la comunicación en serie, los datos se envían a través de tramas o paquetes. Los datos grandes se dividen en trozos y se envían a través de las líneas mediante un marco o un paquete. Ahora bien, ¿qué es un protocolo? Un protocolo es un conjunto de reglas que deben seguirse al conectar los circuitos integrados al microprocesador, y no se limita a la conexión. El protocolo también define las estructuras de las tramas de datos, las longitudes de las tramas, los niveles de voltaje, los tipos de datos, las velocidades de datos, etc. Hay muchos protocolos seriales estándar como UART, FireWire, Ethernet, SPI, I2C y más. Los modelos B, A +, B + de RasPi 1 y el modelo B de RasPi 2 tienen un pin SPI, un pin I2C y un pin UART disponibles en el puerto de expansión. Veremos estos protocolos uno por uno.

UART es una interfaz o protocolo muy común que se encuentra en casi todas las PC o microprocesadores. UART es la forma abreviada de Receptor y Transmisor Asíncrono Universal. Esto también se conoce como estándar RS-232. Este protocolo es full-duplex y un estándar completo, que incluye características eléctricas, mecánicas y físicas para una instancia particular de comunicación. Cuando los datos se envían a través de un bus, los niveles de datos deben cambiarse para adaptarse a los niveles del bus RS-232. Un transmisor en un bus envía voltajes variables. Un valor de voltaje superior a 3 V es cero lógico, mientras que un valor de voltaje inferior a -3 V es uno lógico. Los valores entre -3V y 3V se denominan estados indefinidos. El microprocesador envía los datos a la lógica transistor-transistor ( TTL ) nivel; cuando los enviamos al bus, los niveles de voltaje deben aumentarse al estándar RS-232. Esto significa que para convertir el voltaje de los niveles lógicos de un microprocesador (0V y 5V) a estos niveles y viceversa, necesitamos un IC de cambio de nivel como MAX232. Los datos se envían a través de un conector DB9 y un cable RS-232. El cambio de nivel es útil cuando nos comunicamos a larga distancia.

¿Qué sucede cuando necesitamos conectarnos sin estos circuitos integrados de cambio de nivel adicionales? Esta conexión se denomina conexión NULL, como se muestra en la siguiente figura. Se puede observar que los pines de transmisión y recepción de un transmisor están interconectados y los pines de tierra son compartidos. Esto puede resultar útil en comunicaciones de corta distancia. En UART, es muy importante que las velocidades en baudios (símbolos transferidos por segundo) coincidan entre el transmisor y el receptor. La mayoría de las veces, usaremos 9600 o 115200 como velocidades en baudios. La trama típica de la comunicación UART consiste en un bit de inicio (generalmente 0, que le dice al receptor que el flujo de datos está a punto de comenzar), datos (generalmente 8 bits) y un bit de parada (generalmente 1, que le dice al receptor que la transmisión es terminado).

Para más detalles:Sensores Raspberry Pi