Programación de sistemas de control

Un sistema de control es un conjunto de componentes que trabajan juntos para gestionar, ordenar o regular el comportamiento de otros dispositivos. En el nivel de 4º de ESO, entendemos esta arquitectura como un flujo de información compuesto por:

1. Entradas (Inputs): Son los datos que el sistema recibe del entorno.
2. Unidad de control: Es el "cerebro" (normalmente un microcontrolador) que procesa la información recibida según un programa preestablecido.
3. Actuadores: Dispositivos que ejecutan una acción física (motores, luces, altavoces).
4. Sensores: Dispositivos encargados de medir magnitudes físicas (luz, temperatura, distancia) y transformarlas en señales eléctricas.

La clave de un sistema de control es la capacidad de automatizar una respuesta ante un estímulo externo sin intervención humana constante.

La diferencia fundamental reside en cómo el sistema utiliza la información de salida para corregir sus acciones.

• Sistemas de Lazo Abierto: La salida no tiene efecto sobre la acción de control. Ejemplo: Una tostadora. Funciona durante un tiempo determinado, independientemente de si el pan está ya tostado o no.
• Sistemas de Lazo Cerrado: Utilizan la retroalimentación (feedback). La salida se mide y se compara con el valor deseado.
  • Señal de error: Es la diferencia entre el valor real y el valor deseado.
  • Estabilidad: Un sistema bien diseñado debe ser capaz de estabilizarse y alcanzar el objetivo sin oscilaciones infinitas.

Para que los sistemas se comuniquen, utilizan señales eléctricas que pueden ser de dos tipos:

1. Señales Analógicas: Pueden tomar infinitos valores dentro de un rango. Por ejemplo, la temperatura puede ser $22.5^\circ C$, $22.51^\circ C$, etc.
2. Señales Digitales: Solo tienen dos estados posibles: 0 o 1 (Low/High, Apagado/Encendido).

Como los microcontroladores son dispositivos digitales, utilizan procesos de Conversión A/D (Analógico a Digital) para entender el mundo real, y D/A (Digital a Analógico) o técnicas como PWM para actuar de forma variable.

La placa de control es el soporte físico donde reside la inteligencia del sistema.

• Microcontrolador: Es un circuito integrado que contiene una CPU, memoria y puertos de entrada/salida. A diferencia de un microprocesador (como el de un PC), el microcontrolador está diseñado para realizar una sola tarea específica de forma eficiente.
• Pines de E/S: Son los puntos de conexión. Los pines digitales sirven para botones o LEDs, mientras que los analógicos permiten leer sensores variables.
• Alimentación: Generalmente funcionan entre $3.3V$ y $5V$.

El microcontrolador es el componente que ejecuta el código que escribimos, actuando como puente entre el software y el hardware.

Los sensores permiten al sistema "sentir". Los más habituales en el aula son:

• LDR (Resistencia dependiente de la luz): Su resistencia cambia según la intensidad lumínica.
• NTC (Termistor): Varía su resistencia con la temperatura.
• Ultrasonidos (HC-SR04): Mide distancias enviando una onda de sonido y calculando el tiempo que tarda en volver ($d = v \cdot \frac{t}{2}$).
• Infrarrojos: Detectan la presencia de objetos o siguen líneas negras en el suelo.

Son los encargados de transformar la energía eléctrica en otro tipo de energía:

• Servomotores: Motores de precisión que permiten controlar el ángulo de giro (de 0 a 180 grados).
• Relés: Actúan como interruptores controlados eléctricamente, permitiendo que un microcontrolador de baja potencia controle dispositivos de alta potencia (como una bombilla de $230V$).
• Pantallas LCD: Permiten visualizar datos de texto para el usuario.

Antes de escribir código, debemos planificar la lógica. Un algoritmo es una secuencia ordenada de pasos para resolver un problema.

• Diagramas de flujo: Representación visual usando símbolos (óvalos para inicio/fin, rectángulos para procesos y rombos para decisiones).
• Pseudocódigo: Lenguaje intermedio entre el humano y la máquina.
• Lógica Booleana: Uso de operadores como AND (Y), OR (O) y NOT (NO) para tomar decisiones complejas.

Determinan el orden en que se ejecutan las instrucciones:

1. Condicionales (if-else): Ejecutan un bloque de código "si" se cumple una condición.
2. Bucles (for, while): Repiten una acción un número determinado de veces o mientras se cumpla una condición.
3. Switch-case: Permite elegir entre múltiples opciones según el valor de una variable, evitando demasiados "if" anidados.

Las variables son contenedores para almacenar información:

• int (Enteros): Números sin decimales (ej. 10, -5).
• float (Flotantes): Números con decimales (ej. 3.14).
• boolean (Booleanas): Solo dos valores: true o false.

El ámbito de las variables es crucial: una variable global funciona en todo el programa, mientras que una local solo existe dentro de la función donde se creó.

Ideal para iniciarse (Scratch, mBlock). Utiliza una abstracción de código donde el estudiante encaja piezas visuales.

• Eventos: "Al presionar bandera verde" o "Al recibir mensaje".
• Permite centrarse en la lógica algorítmica sin preocuparse por los errores de sintaxis (comas o paréntesis olvidados).

Es el estándar profesional para Arduino. La estructura básica consta de dos funciones obligatorias:

void setup() {
  // Se ejecuta una sola vez al arrancar (configuración de pines)
}

void loop() {
  // Se ejecuta en bucle infinito mientras haya energía
}

Es fundamental respetar la sintaxis: cada instrucción suele terminar en punto y coma (;) y los bloques se encierran entre llaves {}.

Programar implica cometer errores. Para solucionarlos usamos:

• Monitor Serie: Una herramienta que permite enviar mensajes desde la placa al ordenador para ver qué está pasando (ej. imprimir el valor de un sensor).
• Simulación: Herramientas como Tinkercad permiten probar el circuito y el código virtualmente antes de montarlo físicamente, evitando quemar componentes.

La tecnología busca mejorar la eficiencia energética y el confort:

• Riego automatizado: Si la humedad del suelo (sensor) es menor al 30%, se activa la bomba (actuador).
• Control de temperatura: Un ventilador se enciende si el sensor NTC detecta más de $28^\circ C$.

Un robot es un sistema de control con capacidad de movimiento.

• Sigue-líneas: Utiliza dos sensores infrarrojos para detectar el contraste entre el suelo y una línea negra, ajustando la velocidad de los motores laterales para girar.
• Evasión de obstáculos: Utiliza el sensor de ultrasonidos para "ver" objetos y decidir si girar a la derecha o izquierda para evitar la colisión.

Es el siguiente nivel de la automatización, donde los objetos se conectan a la red.

• Conectividad Wi-Fi: Placas como la ESP32 permiten enviar datos a internet.
• Nube (Cloud): Podemos visualizar gráficas de temperatura de nuestra casa desde el móvil en cualquier parte del mundo.
• Monitorización remota: No solo recibimos datos, también podemos enviar órdenes (encender la calefacción antes de llegar a casa).