Del mundo físico al software

01 · Punto de partida

Un programa sin sentidos ni manos

En el curso anterior aprendiste a leer un pin, medir una tensión con el ADC y generar una señal PWM. Todo eso ocurre dentro del microcontrolador. Pero una temperatura no es un número, la luz no es un valor entre 0 y 1023, y un motor no gira porque una variable valga 1. Entre el mundo físico y las variables de tu programa hay un puente, y ese puente se construye con sensores y actuadores.

Pensalo como la diferencia entre una función pura y una función con efectos secundarios. Sin sensores, el programa solo recibe datos que alguien le escribió; sin actuadores, sus resultados no cambian nada fuera de la memoria. Con ambos, el software puede percibir el entorno y modificarlo.

Este curso recorre los sensores y actuadores más usados, desde un pulsador hasta un motor paso a paso. Antes de entrar en cada uno conviene tener el mapa general, porque todos comparten la misma estructura.

02 · Vocabulario

Sensor, transductor y actuador

Los términos se usan con poco rigor, así que fijemos su significado:

• Un transductor convierte una forma de energía en otra. Un micrófono convierte presión sonora en tensión; un parlante hace lo inverso.
• Un sensor es un transductor que convierte una magnitud física (temperatura, luz, distancia, aceleración) en una señal eléctrica que se puede medir.
• Un actuador convierte una señal eléctrica en una acción física: movimiento, luz, sonido, calor o una conmutación de potencia.

Algunos dispositivos son ambas cosas según cómo se los use. Un motor de continua es actuador cuando lo alimentás y se convierte en un generador (una especie de sensor de velocidad) cuando lo girás. Un altavoz puede captar sonido de manera pobre. Un LED también responde a la luz, aunque débilmente. En este curso mantenemos la clasificación por el uso habitual.

03 · El panorama completo

La cadena que une el fenómeno con la variable

Entre el fenómeno físico y una variable de tu programa hay varias etapas. En la ida (sensor) cada una transforma la información; en la vuelta (actuador) ocurre algo equivalente al revés. Si algo falla, saber en qué etapa buscar es la mitad de la solución.

Seguí un ejemplo concreto, el de un ventilador que se enciende cuando hace calor:

1. El aire de la habitación sube de temperatura: es el fenómeno físico.
2. Un sensor LM35 responde con una tensión proporcional: 10 mV por cada °C.
3. A 28 °C la tensión es 0,28 V, demasiado baja para aprovechar el rango del ADC. Un amplificador puede acondicionar la señal; en este caso se aprovecha una referencia más baja.
4. El ADC convierte la tensión en un entero de 0 a 1023.
5. El programa convierte el entero en grados, lo compara con un umbral y decide.
6. Pone un pin en alto, pero un pin no mueve un ventilador: un transistor maneja la corriente.
7. El ventilador enfría el aire. El fenómeno cambió y el sensor lo nota: se cerró el lazo.

Esta cadena reaparece una y otra vez. Un sensor ultrasónico, un acelerómetro o un micrófono la recorren con etapas distintas, y lo mismo vale para un servo, una tira de LED o una pantalla del lado del actuador.

04 · Entradas

Qué se mide y con qué sensor

Cada magnitud física tiene varios principios de medición. Un mismo sensor puede dar la señal de varias formas (una tensión, un tren de pulsos, un dato por un bus), lo que condiciona el circuito y el código. El curso recorre estos casos:

La última columna anticipa la forma de leer cada señal: un pin digital, un canal del ADC, un temporizador en modo captura o un bus. Es el tema siguiente: cada sensor define su interfaz, y el programador elige el periférico según ella.

05 · Salidas

Qué se acciona y con qué actuador

Los actuadores se pueden clasificar por el tipo de energía que producen. Esa clasificación indica de inmediato qué clase de electrónica de potencia hace falta:

Desde el software hay tres formas de ordenar algo a un actuador: con un nivel (encendido o apagado), con una señal modulada (PWM, para ajustar un promedio) o con un mensaje (un comando por I2C o SPI a un chip que lo ejecuta). Reconocer cuál usa cada dispositivo te dice qué periférico del microcontrolador necesitás.

06 · Realismo

Cada etapa de la cadena agrega un error

Un programador está acostumbrado a que una variable valga exactamente lo que se le asignó. Un valor leído de un sensor es otra cosa: es una estimación de la magnitud real, con una incertidumbre que suma los aportes de cada etapa.

El error del ADC, que es el que podés calcular sin instrumentos, se llama cuantización. Un ADC de 10 bits divide el rango en 1023 pasos; cualquier tensión intermedia se redondea al más cercano, así que el error máximo es medio paso (±½ LSB). Este tipo de cálculo es la herramienta de diseño más práctica: te dice si el hardware elegido alcanza antes de armar nada.

07 · Cálculo

Del valor crudo a la unidad física

Todo sensor analógico se lee como un entero del ADC y se convierte con la misma secuencia de dos pasos: primero se recupera la tensión y después se aplica la característica del sensor, que dice cuánta tensión corresponde a cada unidad física.

Aquí Vref es la tensión de referencia del ADC, V₀ es la tensión a 0 °C (el offset) y S la sensibilidad en volts por grado. Para un LM35, V₀ = 0 y S = 10 mV/°C; para un TMP36, V₀ = 500 mV y S = 10 mV/°C.

Usar la referencia de 1,1 V mejora la resolución casi cinco veces, a cambio de perder rango: para medir ambientes de 0 a 50 °C es una excelente decisión. Es un ejemplo del tipo de compromiso que aparece en todo el curso: rango frente a resolución.

En el microcontrolador, el cálculo se escribe en pocas líneas. Cuidado con la división entera de C: 5 / 1023 con enteros vale 0.

const float VREF = 5.0;              // referencia del ADC (volts)
const float UMBRAL_ON  = 28.0;       // encender el ventilador (°C)
const float UMBRAL_OFF = 26.0;       // apagarlo (histéresis de 2 °C)
bool ventilador = false;

float leerTemperatura() {
    int cuentas = analogRead(A0);                  // 0..1023
    float volts = cuentas * VREF / 1023.0;         // VREF es float: no hay división entera
    return volts / 0.010;                          // LM35: 10 mV por °C
}

void setup() {
    pinMode(9, OUTPUT);                            // señal hacia el driver del ventilador
}

void loop() {
    float t = leerTemperatura();                   // leer
    if (t >= UMBRAL_ON)  ventilador = true;        // decidir
    if (t <= UMBRAL_OFF) ventilador = false;
    digitalWrite(9, ventilador);                   // actuar
    delay(500);
}

Observá la estructura: es el esquema leer, decidir y actuar del curso de microcontroladores, solo que ahora cada paso tiene significado físico. Las dos constantes de umbral distintas evitan que el ventilador arranque y se detenga cientos de veces cuando la temperatura oscila alrededor de un único valor: es la histéresis, que retomamos en el tema 42.

08 · Potencia

Un pin no es un músculo

Un pin de un microcontrolador está pensado para transmitir información, no energía. Un ATmega328P, por ejemplo, tiene como valor máximo absoluto 40 mA por pin y se recomienda no pasar de 20 mA; además, el chip completo no debería entregar más de 200 mA en total. Comparalo con lo que piden los actuadores típicos (valores orientativos):

La regla es sencilla: el pin comanda, el driver conduce. El microcontrolador da una orden de bajo nivel y una etapa de potencia, alimentada desde otra fuente si hace falta, entrega la corriente. Esa etapa también protege al chip de los picos de tensión que generan las cargas inductivas (bobinas y motores) al apagarse. Lo estudiamos a fondo desde el tema 27.

09 · Estrategia de control

Lazo abierto y lazo cerrado

Una vez que el programa puede leer y actuar, hay dos maneras de organizarlos:

El control de lazo cerrado más sencillo es el de todo o nada (con histéresis), como el ventilador de este tema. Cuando el actuador permite graduar su efecto, se pasa a un control proporcional o PID. Los dos se estudian en los últimos temas del curso.

El actuador también puede ser sensor de sí mismo

Los sistemas profesionales suelen medir lo que ordenan: corriente en el motor, posición en el servo, temperatura en la resistencia calefactora. Es la manera de detectar atascos, cortocircuitos o actuadores desconectados. Tomar la salida como información es una buena costumbre de diseño: un actuador sin realimentación es una promesa sin verificar.

10 · Analogía con programación

Cuantización: qué se pierde en el ADC

El código Arduino depende de la placa, así que usamos Python para explorar el efecto del conversor. La función adc imita a un ADC de 10 bits: redondea la tensión a un entero y lo limita al rango 0 a 1023. Luego el programa recupera la temperatura como lo haría el microcontrolador. Compará dos referencias, 5 V y 1,1 V.

BITS = 10
MAXIMO = 2**BITS - 1          # 1023


def adc(volts, vref):
    """Convierte una tensión en cuentas, con saturación en 0 y 1023."""
    cuentas = round(volts / vref * MAXIMO)
    return max(0, min(MAXIMO, cuentas))


def lm35(temp):
    """Tensión de salida del LM35: 10 mV por grado."""
    return 0.010 * temp


for vref in (5.0, 1.1):
    print(f"--- Referencia de {vref} V (1 LSB = {vref / MAXIMO * 1000:.2f} mV) ---")
    for real in (20.0, 25.0, 25.3, 100.0, 115.0):
        cuentas = adc(lm35(real), vref)
        leida = cuentas * vref / MAXIMO / 0.010       # lo que calcula el programa
        print(f"real {real:6.1f} °C -> {cuentas:4d} cuentas -> leída {leida:7.2f} °C  (error {leida - real:+.2f})")

Resultado: con 5 V, los errores llegan a unos ±0,2 °C (por ejemplo, 25,3 °C se lee como 25,42 °C). Con 1,1 V casi no hay error, salvo la saturación: 115 °C se lee como 110,00 °C porque la cuenta no pasa de 1023. Cambiá 1,1 por 2,56 y predecí el tamaño del paso antes de ejecutar.

La saturación es un clásico de la depuración: un valor que «se queda pegado» en un máximo suele significar que la señal se salió del rango del conversor, no que el sensor funcione bien.

El modelo ignora el ruido, la tolerancia del sensor y los errores de la referencia, así que es un mejor caso posible: la realidad solo puede ser peor.

11 · Exploración interactiva

Un termostato virtual, etapa por etapa

Este laboratorio recorre toda la cadena del tema. Elegí un sensor y una referencia para el ADC, fijá la temperatura real con el deslizador y ejecutá una lectura: vas a ver la tensión del sensor, las cuentas del ADC, la temperatura que calcula el programa, el error y la decisión sobre el ventilador. El control usa histéresis: enciende al llegar al umbral y apaga cuando baja por debajo del umbral menos la histéresis.

Reiniciar apaga el ventilador y borra el historial. Si cambiás el sensor o la referencia, el historial se conserva pero el ventilador sigue en el estado que tenía, igual que en un equipo real al que le cambiás el sensor sin apagarlo.

Recorrido guiado

1. Con LM35 y 5 V, dejá 24 °C y ejecutá una lectura. Mirá la tensión (240 mV) y las cuentas (49): las cuentas son enteras, así que la temperatura calculada ya no es exactamente 24.
2. Poné la temperatura real en 28 °C y leé: el ventilador no se enciende, porque 28 °C da 57 cuentas y el programa calcula 27,86 °C, por debajo del umbral. Es la cuantización en acción. Subí a 29 °C y leé: se enciende. Bajá a 27 °C y leé: sigue encendido, porque con 2 °C de histéresis apaga recién en 26 °C.
3. Poné la histéresis en 0 °C y mové la temperatura real entre 27 y 29 °C, leyendo en cada posición. El ventilador conmuta con cada cruce del umbral; con 2 °C de histéresis permanecería encendido. Eso es lo que la histéresis evita.
4. Activá el ruido y leé varias veces con la misma temperatura. Los resultados fluctúan. Cerca del umbral, el ruido puede encender o apagar el ventilador sin que la temperatura cambie: por eso se filtra y se usa histéresis.
5. Cambiá la referencia a 1,1 V y repetí la lectura: el paso baja a 1,08 mV y el error casi desaparece.
6. Con TMP36 y 1,1 V, subí la temperatura real hacia 60 °C: la tensión llega a 1,1 V y el ADC se satura. A 70 °C el programa sigue leyendo 60 °C aunque la realidad sea otra.
7. Activá el lazo cerrado y ejecutá varias lecturas seguidas: la temperatura oscila alrededor del umbral. Es la respuesta de un termostato real.

12 · Método de trabajo

Cómo plantear un sistema con sensores y actuadores

1. Definí la magnitud y el rango. ¿Qué querés medir, entre qué valores y con qué exactitud? De 0 a 50 °C con ±0,5 °C es un problema muy distinto que de −50 a 300 °C con ±0,1 °C.
2. Elegí el sensor por su interfaz y su especificación. Rango, exactitud, tiempo de respuesta, tensión de alimentación, forma de la señal y precio.
3. Calculá la cadena antes de armarla. Con las fórmulas de este tema obtenés la resolución en unidades físicas y verificás si el ADC alcanza o si hace falta acondicionar la señal.
4. Definí la acción y su potencia. Tipo de efecto, tensión y corriente de la carga, y si necesita driver, fuente propia o protecciones.
5. Decidí la estrategia de control. Lazo abierto o cerrado, todo o nada o proporcional, y qué histéresis o filtro necesitás.
6. Prevé los fallos. ¿Qué hace el sistema si el sensor se desconecta, si el valor es imposible o si el actuador se traba?
7. Probá por etapas. Verificá el sensor solo, después el actuador solo y recién entonces el conjunto.

En la mesa de trabajo, probá cada etapa con el instrumento correcto. El multímetro confirma la tensión del sensor antes del ADC; el monitor serie muestra las cuentas crudas; el osciloscopio revela ruido y señales de control. Comparar los tres valores en paralelo ubica la falla en la etapa responsable.

13 · Comprensión

Confusiones frecuentes

14 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. ¿Sensor, actuador o ambos?

Clasificá cada dispositivo: termistor NTC, relé, fotodiodo, servomotor, LED, encoder, solenoide, micrófono.

2. Resolución en grados

Un LM35 se lee con un ADC de 10 bits y referencia interna de 1,1 V. ¿Cuántos grados vale un paso del conversor y cuál es la temperatura máxima que se puede medir?

3. Interpretar una lectura

El programa lee 62 cuentas de un LM35 con referencia de 5 V. ¿Qué temperatura calcula? Y si el sensor fuese un TMP36 que dio 153 cuentas con la misma referencia, ¿cuál sería?

4. ¿Cabe en un pin?

Un motor de continua consume 400 mA. ¿Cuántas veces supera la corriente recomendada de un pin de 20 mA y qué elemento intermedio hace falta?

5. Seguir la histéresis

Un ventilador enciende a 28 °C o más y apaga a 26 °C o menos. La temperatura leída en siete lecturas consecutivas es 25, 27, 28,5, 27,5, 26,5, 25,9 y 27. ¿Cuál es el estado del ventilador después de cada lectura?

6. Lazo abierto o cerrado

Decidí cuáles de estos sistemas son de lazo cerrado: (a) un LED que parpadea cada segundo; (b) una cafetera que corta al llegar a 95 °C; (c) un motor que gira siempre con un PWM del 60 %; (d) un robot que se frena al detectar un obstáculo.

15 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 2?

Antes de avanzar, dibujá de memoria la cadena de un termostato con sus siete etapas, calculá la resolución en grados de un LM35 con un ADC de 10 bits y 5 V, y explicá por qué un actuador controlado en lazo abierto puede fallar sin que el programa lo note. Si podés justificar las tres respuestas, tenés el mapa del curso.

En el próximo tema estudiamos las características de un sensor: rango, sensibilidad, resolución, exactitud, precisión, linealidad y tiempo de respuesta, que son los datos que hay que leer en una hoja de datos para elegir bien.