Proyecto integrador: módulo sensor

01 · Punto de partida

Cada parte funcionaba

El Tema 30 empezó con una luz de noche que parpadeaba durante media hora cada tarde. Aquella vez el problema era un resistor mal elegido. Este tema termina ese proyecto, y lo hace entero.

La tira ilumina el pasillo, y el sensor está en el pasillo. Cuando la tira se enciende, el sensor ve luz, el programa concluye que es de día y la apaga. Con la tira apagada vuelve a estar oscuro, y la enciende. La falla no está en el sensor, ni en la llave, ni en la tira: está en un camino que no figura en el esquema, el que va de la salida a la entrada por el aire.

Un programador conoce esta situación con otro nombre. Las pruebas unitarias pasan todas y el sistema falla al integrarse, porque el error no vive en ningún módulo: vive en la interacción. Y conoce también la forma particular de este: un sistema que reacciona a su propia salida. Un proceso que vigila un registro y escribe en ese mismo registro cada vez que detecta un cambio.

• ¿Cómo se divide un proyecto en bloques que se puedan diseñar y probar por separado?
• ¿Qué se define en la frontera entre dos bloques?
• ¿Cómo se aplican juntos el método de selección, las predicciones y el montaje por etapas?
• ¿Qué pruebas son del sistema, y no de ninguna parte?
• ¿Qué tiene que quedar escrito para que el proyecto esté terminado?

02 · Identificar

Los requisitos

El primer paso del método del Tema 34: la idea, escrita con números y antes de pensar en ninguna pieza.

Un requisito es algo que se puede comprobar

«Que no parpadee» no se puede medir. «Un solo encendido por atardecer» se cuenta. Cada fila de la tabla va a tener una prueba en la sección 8.

Lo que queda afuera, a propósito

No regula el brillo, no tiene reloj ni detecta personas. Decirlo es parte de los requisitos: evita que el proyecto crezca a mitad de camino.

03 · Diseño

Cuatro bloques y dos fuentes

El título del proyecto ya es su arquitectura: sensa, decide, indica y conmuta. Cada verbo es un bloque, con un tema del curso detrás.

Lo que hace que los bloques se puedan diseñar y probar por separado es que lo que cruza de uno a otro está definido. Es la interfaz, y se escribe antes que el interior.

La última fila es la de la escena. No es una conexión eléctrica y no aparece en ningún esquema, pero es una frontera como las otras: algo sale de un bloque y entra en otro. Escribir la tabla completa, incluyendo lo que cruza por el aire, por el calor o por la alimentación, es la manera de encontrar estos caminos antes de montar.

04 · Selección

El diseño, bloque por bloque

El sensor

La zona de interés

Del anochecer, 1 lux y unos 75 kΩ, a una habitación iluminada, 100 lux y unos 3 kΩ. El resto del rango no importa.

El resistor fijo

Media geométrica: raíz de 75 000 × 3000 = 15 kΩ. Con la fotorresistencia arriba, para que más luz dé más tensión.

Su tolerancia

5 %. El sensor varía un factor de dos entre unidades, y los umbrales se van a calibrar: un resistor al 1 % no agregaría nada.

El capacitor

100 nF entre la entrada y el negativo. Al anochecer el divisor presenta más de 10 kΩ, y el conversor necesita esa reserva para leer bien, como en el Tema 30. De paso filtra ruido.

La decisión

Con un solo umbral, cualquier ruido alrededor de ese valor produce encendidos y apagados. La solución es la del Tema 28, aplicada en el programa: dos umbrales. Uno para encender y otro, más alto, para apagar. Entre los dos, el estado no cambia.

Cien cuentas de separación, contra un ruido que en el Tema 30 era de unas pocas. Parece de sobra. La sección 9 va a mostrar que alcanza para el ruido y no para otra cosa.

El indicador

Un LED rojo desde una salida de 5 V. Buscando 7 mA: (5 − 1,8) ÷ 0,007 = 457 Ω, que hacia arriba es 470 Ω. Con ese valor circulan 6,8 mA, dentro del tope de 10 mA, y el resistor disipa 22 mW.

La llave

El calor: 0,4² × 0,025 × 1,5 = 6 mW. Y dos cosas que la tabla de «lo que arrastra» pediría para un actuador y que acá no van: el diodo en paralelo, porque una tira de LED no es una bobina, y el capacitor de reserva, porque no tiene pico de arranque. La tabla se aplica entendiendo por qué pide cada cosa.

La protección

Las tres condiciones del Tema 33. Uso normal: 0,4 ÷ 0,75 = 0,53 A como mínimo. Falla: la fuente se limita en 2 A, así que 2 ÷ 2 = 1 A como máximo. Conductor: los contactos de la protoboard, 1 A. Entre 0,53 y 1 A: 630 mA, y rápido, porque no hay arranque que tolerar. Va en el positivo de los 12 V, antes de todo.

05 · Aplicación

La lista de materiales

Para las pruebas hacen falta además dos piezas que no quedan en el proyecto: un LED y un resistor de 1 kΩ, como carga inofensiva de la etapa 4. Y el último renglón de la tabla no salió del diseño: se agregó después de la prueba del sistema. Una lista de materiales cambia mientras el proyecto vive.

06 · Diseño

Las predicciones

Antes de conectar, qué tiene que dar cada medición, con su rango. Es la tabla contra la que se va a dictaminar.

La segunda fila de la primera tabla dice algo incómodo: en penumbra, la lectura puede dar entre 93 y 279 cuentas según la unidad. El umbral de 200 está en el medio, pero con tu fotorresistencia puede corresponder a medio lux o a tres. Los umbrales de diseño son un punto de partida: los definitivos salen de una calibración, en la sección 8.

07 · Taller

El montaje en cinco etapas

El método del Tema 32: cada etapa agrega pocas piezas y termina con una prueba que no depende de las siguientes. Antes de la primera, la lista de control del Tema 33; la fuente de 12 V se desconecta para agregar piezas.

1. 1
   Las dos fuentes y el negativo común.

   La placa por USB; la fuente de 12 V a su bornera, pasando por el fusible. Un cable entre los dos negativos, en la bornera. Prueba: 4,75 a 5,25 V en una línea, 11,5 a 12,5 V en la otra, continuidad entre los negativos.

2. 2
   El sensor, solo.

   La fotorresistencia entre los 5 V y la entrada; R2 y C1 entre la entrada y el negativo. Un programa que solo imprima la lectura. Prueba: tapada y con la luz de la habitación, la tensión y las cuentas caen en los rangos de la tabla. Anotá los dos valores.

3. 3
   La decisión y el indicador.

   D1 y R3 en una salida. El programa con los dos umbrales, mandando solo al indicador. Prueba: al tapar el sensor, el LED enciende; al destaparlo, se apaga. Acercando la mano despacio, cambia una sola vez.

4. 4
   La llave, con una carga inofensiva.

   Q1, R4 y R5. Como carga, un LED con 1 kΩ entre los 12 V y el drenaje. Prueba: sigue al indicador. Con el cable de mando suelto, queda apagado. Reiniciando la placa con el sensor tapado, no destella. Compuerta: 4,7 a 4,9 V.

5. 5
   La tira.

   En lugar de la carga de prueba, por su bornera. Prueba: enciende al tapar el sensor. Y ahora, las mediciones.

08 · Verificar

Las mediciones y el dictamen

Las pruebas de las partes

Con el sensor tapado y la tira encendida, se mide cada fila de la segunda tabla de predicciones. Son las mediciones del Tema 32, y se leen igual.

La última fila no mide una parte: mide una frontera. Y tiene dos respuestas malas con dos causas distintas, que son los dos caminos ocultos de este proyecto.

La calibración de los umbrales

1. 1
   Registrar un atardecer.

   Con el programa imprimiendo la lectura cada minuto y la tira desconectada. Anotá la lectura en el momento en que vos encenderías la luz.

2. 2
   Ese valor es el umbral de encendido.

   Reemplaza al 200 del diseño. Con otra fotorresistencia puede ser 120 o 260.

3. 3
   Medir el ruido.

   Con luz constante, la diferencia entre la lectura mayor y la menor durante un minuto.

4. 4
   Medir el aporte de la tira.

   De noche, la lectura con la tira apagada y con la tira encendida. La diferencia es lo que la salida le devuelve a la entrada.

Las pruebas del sistema

Montado como se diseñó, el proyecto pasa cinco de las seis. Falla la segunda: al anochecer cuenta decenas de cambios. Es la falla de la escena, en una versión más corta, y es el resultado más útil del tema.

09 · Aplicación

La luz que se ve a sí misma

La medición del paso 4 de la calibración le pone número. En un pasillo, con el sensor a medio metro de la tira, un resultado típico: 60 cuentas con la tira apagada, 250 con la tira encendida. La tira le suma al sensor el equivalente a unos 2 lux.

1. 1
   Oscurece, y la lectura baja de 200.

   El programa enciende la tira. Hasta acá, lo diseñado.

2. 2
   La tira ilumina al sensor.

   A la poca luz que quedaba se suman los 2 lux de la tira. La lectura salta a unas 320 cuentas.

3. 3
   320 es más que 300.

   El programa apaga la tira. La lectura vuelve a 200, y el ciclo empieza de nuevo.

4. 4
   Unos minutos después, deja de oscilar.

   Cuando la luz del ambiente bajó lo suficiente, ambiente más tira ya no llega a 300. La tira queda encendida.

Los dos umbrales estaban pensados para el ruido, que es de pocas cuentas. El aporte de la tira es de casi doscientas. La regla que faltaba es esta: la separación entre los umbrales tiene que ser mayor que el efecto de la salida sobre la entrada, con margen. Y ese efecto no se puede calcular en el diseño: depende del pasillo, de la distancia y de hacia dónde mira el sensor. Se mide.

El proyecto usa las dos primeras: el tubo, que baja el aporte de 190 cuentas a menos de 20, y el umbral de apagado en 450. Con eso la segunda prueba cuenta 1. El tubo es el último renglón de la lista de materiales.

Un programador reconoce las tres soluciones. La primera es quitar la dependencia circular. La segunda, ensanchar una banda de tolerancia. La tercera es un límite de frecuencia, que no arregla el error y evita que se convierta en una tormenta. Y reconoce el orden: primero se quita la causa, después se agrega margen, y el límite queda como red.

10 · Cierre

El documento

El circuito funciona. El proyecto no está terminado hasta que queda escrito, y casi todo ya lo escribiste en el camino: cada sección de este tema es una parte del documento.

Las mediciones son la parte que más vale

Dentro de un año, cuando la tira no encienda, la pregunta va a ser «¿cuánto tiene que haber en la compuerta?». Si está anotado, el diagnóstico dura cinco minutos.

Las decisiones evitan retrocesos

Alguien va a mirar el circuito y pensar «acá falta el diodo». Una línea que diga por qué no va ahorra la discusión, y evita que se agregue una pieza que no hace nada.

La falla encontrada también se documenta

La oscilación de la sección 9, con sus números, es lo más valioso que este proyecto produjo. Es lo que vas a recordar en el próximo que tenga un sensor y una salida en el mismo ambiente.

Hacia dónde crece

Y una variante que conviene descartar con argumentos: hacerlo sin placa, conectando el divisor directamente a la compuerta del MOSFET. Funciona a medias. El punto de encendido pasa a depender del umbral del transistor, que varía entre unidades de 1 a 2 V y con la temperatura. No hay dos umbrales, así que no hay defensa contra el ruido ni contra el lazo. Y durante todo el atardecer el MOSFET queda a medio encender, en la zona que el Tema 22 enseñó a evitar. Para decidir con una tensión y sin programa existe un componente específico, el comparador, y es del curso siguiente.

11 · Simulador

Un atardecer

Una hora en la que la luz del ambiente baja de 100 lux a una décima. El gráfico muestra lo que lee el programa y lo que hace con la tira. El umbral de encendido corresponde siempre a 1,3 lux.

• La curva es la lectura del conversor, de 0 a 1023 cuentas.
• La línea naranja es el umbral de encendido; la blanca, el de apagado.
• La banda inferior muestra cuándo la tira está encendida.
• Debajo del tiempo, la luz del ambiente en cada momento.

Recorrido guiado (10 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   Es la escena: un solo umbral y la tira iluminando al sensor. Desde que oscurece, cambia de estado en cada lectura, hasta el final.

2. 2
   Poné el sensor en su tubo, sin tocar el umbral.

   La oscilación permanente desaparece. Queda un parpadeo breve justo en el cruce, cinco cambios en medio minuto: es el ruido, con un solo umbral.

3. 3
   Subí el umbral de apagado a 1,7 lux.

   Treinta cuentas de separación alcanzan: un solo cambio. Para el ruido, una histéresis chica es suficiente.

4. 4
   Volvé a «poca luz» de la tira, con ese umbral.

   Oscila otra vez, toda la noche. Treinta cuentas contra un aporte de más de cien.

5. 5
   Elegí el umbral del diseño, 2,8 lux.

   Es el proyecto tal como se diseñó en la sección 4. Oscila unos minutos y después queda encendida: la prueba del sistema que no pasaba.

6. 6
   Separá el umbral a 7 lux.

   Un solo cambio. La separación ya supera el aporte de la tira.

7. 7
   Con 7 lux, elegí «mucha luz» de la tira.

   Vuelve a oscilar, y para siempre: la tira sola supera el umbral de apagado. Ninguna histéresis razonable lo arregla. Hace falta el tubo.

8. 8
   Con el tubo y un solo umbral, promediá dieciséis lecturas. Después sacá el tubo.

   Con el tubo, el parpadeo del paso 2 desaparece, y el encendido se demora un minuto. Sin el tubo vuelve a oscilar toda la noche, apenas más lento. Promediar actúa sobre el ruido; sobre el lazo no hace nada.

9. 9
   Cambiá el resistor fijo a 220 Ω, con el tubo y el umbral de 2,8 lux.

   La curva queda pegada al piso, y los umbrales son 4 y 6 cuentas. Es el divisor de la escena del Tema 30. Los umbrales de 1,3 y de 1,7 lux caen en la misma cuenta, y con uno solo parpadea durante cinco minutos. Dejá pasar poca luz de la tira: oscila toda la noche, donde con 15 kΩ lo hacía unos minutos. Sin excursión no hay dónde poner una histéresis.

Preguntas para pensar

1. En los pasos 3 y 4, la misma histéresis alcanza en un caso y no en el otro. ¿Qué regla lo resume?
2. En el paso 5, ¿por qué la oscilación termina sola al cabo de unos minutos?
3. En el paso 7, ¿por qué no se puede resolver desde el programa subiendo más el umbral de apagado?

12 · El proyecto en código

Predecir, decidir y dictaminar

Las predicciones, a partir de los requisitos

V_PLACA, V_POTENCIA = 5.0, 12.0
R_FIJA, R_LED, V_LED = 15_000, 470, 1.8
A_TIRA, OHM_LLAVE = 0.4, 0.025


def cuentas(ohm_sensor, r_fija=R_FIJA):
    return round(1024 * r_fija / (ohm_sensor + r_fija))


def ohm_para(cuenta, r_fija=R_FIJA):
    return r_fija * 1024 / cuenta - r_fija


print("Sensor:")
for condicion, ohm_min, ohm_max in (("tapada", 100e3, 500e3), ("penumbra", 40e3, 150e3), ("habitación", 2e3, 8e3)):
    print(f"   {condicion:12} de {cuentas(ohm_max):4} a {cuentas(ohm_min):4} cuentas   "
          f"({V_PLACA * cuentas(ohm_max) / 1024:.2f} a {V_PLACA * cuentas(ohm_min) / 1024:.2f} V)")

print("Umbrales:")
for nombre, cuenta in (("encender bajo", 200), ("apagar sobre", 300), ("apagar sobre, corregido", 450)):
    print(f"   {nombre:24} {cuenta:4} cuentas = {V_PLACA * cuenta / 1024:.2f} V = {ohm_para(cuenta) / 1000:.0f} kohm")

a_led = (V_PLACA - V_LED) / R_LED
v_compuerta = V_PLACA * 10_000 / 10_220
print(f"Indicador: {a_led * 1000:.1f} mA, {a_led * R_LED:.1f} V sobre su resistor, {a_led ** 2 * R_LED * 1000:.0f} mW")
print(f"Compuerta: {v_compuerta:.2f} V")
print(f"Drenaje, encendida: {A_TIRA * OHM_LLAVE * 1000:.0f} mV; calor en la llave: {A_TIRA ** 2 * OHM_LLAVE * 1.5 * 1000:.0f} mW")
print(f"Fusible: entre {A_TIRA / 0.75:.2f} y {min(2.0 / 2, 1.0):.2f} A -> 630 mA, que admite hasta {0.63 * 0.75:.2f} A de tira")

Cambiá R_FIJA a 10 000. ¿Qué cuentas corresponden ahora a los mismos 62 kΩ del umbral de encendido?

La decisión: el programa de la placa

La lógica que corre en el microcontrolador, probada con un atardecer simulado. En la placa, leer() es la entrada analógica y tira es una salida; lo demás es igual.

import random

ENCENDER_BAJO = 200         # cuentas: se calibra con un atardecer real
APAGAR_SOBRE = 300          # cuentas: tiene que superar el aporte de la tira, con margen
LUX_DE_LA_TIRA = 2.0        # lo que la tira le suma al sensor; 0 con el tubo puesto


def leer(lux):
    """La cadena del sensor: de la luz a las cuentas, con su ruido."""
    ohm = 75_000 * max(lux, 0.01) ** -0.7
    return max(0, min(1023, round(1024 * 15_000 / (ohm + 15_000) + random.uniform(-2, 2))))


def atardecer(encender_bajo, apagar_sobre, lux_tira, minutos=60):
    random.seed(35)
    tira, cambios, ultimo = False, 0, None
    for paso in range(minutos * 10):                       # una lectura cada 6 segundos
        ambiente = 10 ** (2 - 3 * paso / (minutos * 10)) * random.uniform(0.92, 1.08)
        lectura = leer(ambiente + (lux_tira if tira else 0))
        if not tira and lectura < encender_bajo:
            tira, cambios, ultimo = True, cambios + 1, paso
        elif tira and lectura > apagar_sobre:
            tira, cambios, ultimo = False, cambios + 1, paso
    return cambios, ultimo / 10, tira


for nombre, apagar, lux_tira in (("un solo umbral, sin tubo", 200, 2.0),
                                 ("diseño inicial, sin tubo", 300, 2.0),
                                 ("umbral separado, sin tubo", 450, 2.0),
                                 ("diseño inicial, con tubo", 300, 0.0),
                                 ("proyecto final: tubo y 450", 450, 0.2)):
    cambios, minuto, tira = atardecer(ENCENDER_BAJO, apagar, lux_tira)
    veredicto = "PASA" if cambios == 1 and tira else "no pasa"
    print(f"{nombre:28} {cambios:4} cambios, el último al minuto {minuto:4.1f} -> {veredicto}")

Agregá un tiempo mínimo: que no pueda cambiar de estado si pasaron menos de 100 lecturas desde el cambio anterior. ¿Cuántos cambios quedan en el primer caso, y en qué estado termina?

El dictamen

La tabla de predicciones contra las mediciones. Los valores de ejemplo son los de un montaje con una falla: buscala antes de ejecutar.

PREDICHO = {        # medición: (mínimo, máximo, unidad)
    "sensor tapado": (30, 134, "cuentas"),
    "sensor con luz": (668, 904, "cuentas"),
    "tensión sobre R3": (3.0, 3.4, "V"),
    "compuerta": (4.7, 4.9, "V"),
    "drenaje, encendida": (0.0, 0.02, "V"),
    "corriente de la tira": (0.34, 0.46, "A"),
    "tensión sobre F1": (0.0, 0.2, "V"),
    "cambios en un atardecer": (1, 1, ""),
    "lectura: con tira menos sin tira": (-5, 20, "cuentas"),
}
PISTA = {
    "compuerta": "medir R4: si no es de 220 ohm, forma un divisor con R5",
    "drenaje, encendida": "mirar primero la compuerta: la llave está a medio encender",
    "corriente de la tira": "medir la fuente de 12 V con la tira encendida, y la tensión sobre F1",
    "tensión sobre F1": "portafusibles flojo o sucio",
    "cambios en un atardecer": "medir el aporte de la tira y compararlo con la separación de los umbrales",
    "lectura: con tira menos sin tira": "positivo: la tira ilumina al sensor. Negativo: negativo compartido",
}


def dictaminar(medido):
    fuera = 0
    for medicion, (minimo, maximo, unidad) in PREDICHO.items():
        if medicion not in medido:
            print(f"   {medicion:34} SIN MEDIR")
            fuera += 1
            continue
        valor = medido[medicion]
        bien = minimo <= valor <= maximo
        fuera += 0 if bien else 1
        print(f"   {medicion:34} {valor:>7} {unidad:8} {'bien' if bien else 'FUERA de ' + str(minimo) + ' a ' + str(maximo)}")
        if not bien and medicion in PISTA:
            print(f"      -> {PISTA[medicion]}")
    print(f"   {'APROBADO' if fuera == 0 else str(fuera) + ' observaciones'}\n")


dictaminar({
    "sensor tapado": 61, "sensor con luz": 790, "tensión sobre R3": 3.21,
    "compuerta": 2.5, "drenaje, encendida": 0.31, "corriente de la tira": 0.39,
    "tensión sobre F1": 0.12, "cambios en un atardecer": 1, "lectura: con tira menos sin tira": 12,
})

Dos mediciones están fuera, y tienen una sola causa. Cargá después las de tu propio montaje.

13 · Comprensión

Confusiones frecuentes

14 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: otra fotorresistencia

Tu fotorresistencia mide 150 kΩ en la penumbra en la que querés encender, y 6 kΩ con la luz de la habitación. Elegí el resistor fijo, calculá el umbral de encendido en cuentas y la lectura con la luz de la habitación.

Ejercicio 2: elegir la histéresis

Medís: ruido de 12 cuentas entre máximo y mínimo; lectura de noche de 45 con la tira apagada y de 140 con la tira encendida. El umbral de encendido calibrado es 180. ¿Dónde ponés el de apagado?

Ejercicio 3: la tabla de fronteras

Un ventilador controlado por un termistor, los dos dentro del mismo gabinete. Escribí las fronteras, incluyendo las que no son eléctricas. ¿Hay un lazo? ¿Es un problema?

Ejercicio 4: diagnóstico con el indicador

Para cada caso, decí de qué lado está la falla: a) sensor tapado, indicador apagado, tira apagada; b) sensor tapado, indicador encendido, tira apagada; c) sensor con luz, indicador apagado, tira encendida; d) placa en reinicio, tira encendida.

Ejercicio 5: en el simulador

Encontrá la configuración con menos protección que todavía da un solo cambio de estado, para «poca luz» de la tira. Después, la que lo logra para «mucha luz».

Ejercicio 6: una extensión

Te piden que la tira sea de dos metros. Recorré el proyecto y listá todo lo que cambia.

Ejercicio 7: el proyecto completo

Con las piezas reales. Hacé el proyecto de punta a punta: requisitos con la corriente medida de tu tira, lista de materiales, predicciones, las cinco etapas, las mediciones, la calibración y las seis pruebas del sistema. Armá la carpeta.

15 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 36?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Nombrar los cuatro bloques del proyecto y lo que cruza entre ellos.
• Explicar por qué la tira parpadea con un solo umbral, y por qué sigue parpadeando con dos poco separados.
• Decir cómo se mide el aporte de la salida sobre la entrada.
• Enumerar las cinco etapas del montaje y la prueba de cada una.
• Decir qué falla indica el indicador encendido con la tira apagada.
• Justificar por qué la llave de la tira no lleva diodo.
• Enumerar las partes del documento de un proyecto.

Treinta y cinco temas después, un cajón de piezas se convirtió en un método: leer una hoja, dejar margen, elegir, proteger, predecir, medir y escribir. Queda mirar el recorrido completo, armar la caja de componentes que conviene conservar y ver qué hay más allá de encender y apagar. En el próximo y último tema, el cierre del curso y el puente a la electrónica analógica.