Sensores de umbral y optointerruptores

01 · Punto de partida

Decidir en el sensor

En el tema 3 aparecieron los módulos que ofrecen dos salidas: una analógica con el valor medido y otra digital que indica si se superó un umbral. En el tema 6 el «sensor» era un contacto mecánico. Ahora estudiamos el caso intermedio: un sensor analógico (de luz, de sonido, de gas, de obstáculos) al que se le agrega un comparador que toma la decisión por hardware.

La pregunta de diseño es qué parte del trabajo queda en el circuito y cuál en el programa. Con el umbral en hardware, el microcontrolador solo lee un bit: no necesita ADC, puede dormir y despertar con una interrupción, y la respuesta es inmediata. A cambio, el umbral se ajusta a mano con un potenciómetro y el valor medido se pierde. Entender ese compromiso, y los problemas que trae el ruido cerca del umbral, es el objetivo del tema.

02 · Anatomía

Módulos con comparador

Los módulos baratos de luz, sonido, llama, gas, lluvia, humedad de suelo o detección de obstáculos infrarrojos comparten un esquema casi idéntico:

1. Un elemento sensible (LDR, micrófono, termistor, sensor de gas, fototransistor) produce una tensión analógica, la salida AO.
2. Un potenciómetro fija una tensión de referencia.
3. Un comparador (habitualmente un LM393) compara la señal con la referencia. Su salida DO pasa a nivel alto o bajo según cuál sea mayor.
4. Uno o dos LED indicadores muestran la alimentación y el estado de DO.

La salida DO vale 1 o 0 según la señal esté por encima o por debajo del umbral. Mientras gira el potenciómetro, el LED del módulo se enciende o apaga justo cuando se cruza: es la forma de ajustar el umbral sin necesidad de instrumentos.

Casi todos tienen la misma limitación: el comparador no tiene histéresis, o la tiene mínima. Es la causa principal de que sus salidas «tiemblen» y es lo que vemos a continuación.

03 · El gran problema

Histéresis: el antídoto contra el ruido

Imaginá una señal analógica con un poco de ruido que pasa lentamente por el umbral. Cerca de ese punto, el ruido hace que la señal cruce el umbral hacia arriba y hacia abajo muchas veces. La salida del comparador conmuta cada vez: ese temblor se llama chatter o rebote del comparador. Es exactamente el mismo fenómeno que los rebotes de un contacto (tema 6), pero con origen electrónico.

La solución es la histéresis: usar dos umbrales en lugar de uno, un umbral alto para subir y uno bajo para bajar. La salida sube solo si la señal supera el alto y baja solo si cae por debajo del bajo; entre ambos, conserva el estado. El circuito que lo hace se llama disparador Schmitt (Schmitt trigger).

La banda de histéresis debe ser mayor que el ruido pico a pico en el punto de trabajo, pero menor que la variación que se quiere detectar. Si el ruido tiene σ = 0,05 V, su pico a pico es unas seis veces eso (0,30 V), y una banda de 0,30 V o algo más es razonable. Una banda excesiva retrasa la detección y puede ignorar cambios legítimos.

Los comparadores con histéresis integrada (y los inversores Schmitt como el 74HC14) la tienen incorporada. En un circuito con LM393 se agrega una resistencia de realimentación positiva entre la salida y la entrada no inversora: cuanto menor su valor, mayor la histéresis (con un valor de 1 MΩ, la banda es de unos pocos milivolts). Es una modificación que se puede soldar en un módulo existente.

04 · Conexión

Salida en colector abierto

La salida de un LM393 es de colector abierto: el transistor de salida solo puede conectar la línea a masa (nivel bajo) o dejarla desconectada. No puede generar por sí mismo un nivel alto: necesita una resistencia de pull-up hacia Vcc. Los módulos suelen traerla incorporada (10 kΩ típico), pero si se usa el circuito integrado suelto, hay que agregarla.

La resistencia se elige entre dos límites:

• Mínimo: cuando la salida baja, el transistor debe poder absorber la corriente del pull-up. Con Vcc = 5 V, una tensión de saturación V_OL de 0,4 V y una corriente máxima de 4 mA, el mínimo es (5 − 0,4) / 4 mA = 1,15 kΩ.
• Máximo: la subida de la señal depende de la constante de tiempo R × C, con la capacidad del cable y del pin. Con 10 kΩ y 100 pF, τ = 1 µs: más que suficiente para señales lentas. Con cables largos o señales rápidas, conviene un valor menor.

Dos consecuencias prácticas de este tipo de salida:

• Ventaja: varias salidas de colector abierto pueden compartir la misma línea y el mismo pull-up. Si cualquiera baja la línea, el nivel es bajo (OR cableado, o AND de la señal activa en alto). Se usa en alarmas y en buses como I2C.
• Adaptación de niveles: como el nivel alto lo fija el pull-up, se lo puede conectar a 3,3 V para un microcontrolador de 3,3 V aunque el comparador se alimente con 5 V.

También hay que prestar atención a la polaridad lógica. En muchos módulos de luz, el LED indicador se enciende cuando DO está en bajo: el comparador baja la salida al activarse. El nivel «activo» puede ser bajo, y conviene comprobarlo con un multímetro o un LED antes de escribir el programa.

05 · ¿Dónde decidir?

Salida digital o analógica: cuándo usar cada una

Si el módulo ofrece las dos salidas, ¿cuál conviene? La respuesta depende de qué se necesita saber y qué recursos hay:

Regla práctica: si necesitás velocidad, despertar al microcontrolador o contar pulsos, usá DO. Si necesitás ajustar el umbral desde el programa, filtrar o conocer el valor, usá AO. Hay un uso mixto frecuente: el módulo con DO se emplea para despertar al micro y la salida AO se lee en ese momento.

Con AO, la histéresis por software es sencilla. El ejemplo enciende una luz cuando oscurece, con dos umbrales sobre la lectura de un LDR:

const int UMBRAL_BAJO = 480;      // por debajo de este valor se considera oscuro
const int UMBRAL_ALTO = 560;      // por encima de este valor se considera claro
bool oscuro = false;

void loop() {
    int luz = analogRead(A0);                 // más luz, más cuentas
    if (luz < UMBRAL_BAJO)       oscuro = true;
    else if (luz > UMBRAL_ALTO)  oscuro = false;
    // entre 480 y 560 el estado no cambia: esa es la histéresis

    digitalWrite(PIN_LAMPARA, oscuro);
    delay(100);
}

Es la misma lógica que el termostato del tema 1: dos constantes y una variable de estado. Cambia el dato, no la estructura.

06 · Detectar con luz

Optointerruptores y sensores ópticos

Un sensor óptico de umbral combina un emisor (casi siempre un LED infrarrojo, invisible y menos sensible a la luz ambiente) y un receptor (fototransistor o fotodiodo). El objeto que se quiere detectar interrumpe o refleja el haz. Según la geometría, hay tres configuraciones:

El optointerruptor de ranura es el más fiable: el haz es corto, está protegido de la luz ambiente y la alineación es fija. Se usa para contar vueltas con un disco que tiene ranuras (el principio de un encoder, tema 25) y como final de carrera sin contacto mecánico: no se desgasta ni rebota.

El sensor reflexivo es más versátil y más delicado. Su respuesta depende de la superficie: una hoja blanca refleja mucho; una negra mate, casi nada. Esa diferencia se aprovecha en el seguidor de línea. Pero también limita la detección de objetos oscuros, y la distancia óptima es estrecha: a pocos milímetros del objeto la señal es máxima y, si se acerca demasiado, la señal disminuye porque el haz no llega al receptor con el ángulo correcto. Un TCRT5000, por ejemplo, funciona mejor a unos milímetros del objeto.

07 · Cálculos

Diseñar la etapa óptica

El LED emisor

Un LED infrarrojo se alimenta como cualquier LED: con una resistencia limitadora. Su tensión directa V_F ronda 1,2 a 1,3 V y la corriente de trabajo, 10 a 20 mA, que determinan el alcance y el consumo. Con Vcc = 5 V, V_F = 1,25 V y una corriente deseada de 15 mA:

El valor normalizado más cercano es 270 Ω, que da (5 − 1,25) / 270 ≈ 13,9 mA. Los pines del microcontrolador soportan 20 mA recomendados, así que el LED puede manejarse directamente desde un pin, lo cual permite apagarlo cuando no se mide.

El receptor

Un fototransistor conduce más corriente cuanta más luz recibe. Se lo conecta con una resistencia de carga y se lee la tensión en el punto medio. Hay dos disposiciones:

• Colector a Vcc y resistencia del emisor a masa: más luz, más tensión. Es la intuitiva para el ADC.
• Emisor a masa y resistencia de pull-up en el colector: más luz, menos tensión (el transistor «baja» la línea). Es la que usan los módulos con comparador y la que conviene para una entrada digital.

La resistencia de carga define la sensibilidad y la velocidad: un valor alto (100 kΩ) da gran amplitud con poca luz pero responde lento; uno bajo (1 kΩ) responde rápido pero con poca señal. Para un sensor reflexivo típico, 10 kΩ es un punto de partida. Un fototransistor tiene tiempos de subida y bajada del orden de decenas de microsegundos, suficientes para casi todas las aplicaciones mecánicas; para señales más rápidas se emplea un fotodiodo con amplificador.

Eliminar la luz ambiente por diferencia

Una técnica muy eficaz se apoya en el control del emisor desde el microcontrolador: se lee el receptor con el LED apagado (solo luz ambiente) y con el LED encendido (ambiente más señal), y se resta. Lo que queda es la contribución del LED, aunque el ambiente cambie:

const uint8_t PIN_LED_IR = 7;
const uint8_t PIN_SENSOR = A0;       // colector a Vcc, resistencia de 10 kΩ del emisor a masa

int leerSinLuzAmbiente() {
    digitalWrite(PIN_LED_IR, LOW);
    delayMicroseconds(200);          // dejar que el fototransistor se estabilice
    int ambiente = analogRead(PIN_SENSOR);

    digitalWrite(PIN_LED_IR, HIGH);
    delayMicroseconds(200);
    int total = analogRead(PIN_SENSOR);

    digitalWrite(PIN_LED_IR, LOW);   // apagado entre mediciones: ahorra energía
    return total - ambiente;         // solo la parte que aporta el LED
}

El método tiene límites: si la luz ambiente satura el receptor (lectura de 1023 con el LED apagado), la resta no sirve. Hay que dimensionar la resistencia de carga para que no ocurra en las peores condiciones.

08 · Aplicación típica

Contar pulsos y medir velocidad

Un optointerruptor de ranura y un disco con agujeros producen un tren de pulsos cuya frecuencia es proporcional a la velocidad de giro. La velocidad en revoluciones por minuto (RPM) se calcula contando pulsos durante un tiempo fijo, llamado ventana de medición (gate time):

Con un disco de 20 ranuras girando a 1500 RPM, la frecuencia es 1500 / 60 × 20 = 500 pulsos por segundo. En una ventana de 0,5 s se cuentan 250 pulsos. La medición tiene una incertidumbre de ±1 pulso (se puede empezar y terminar en medio de uno), de modo que la resolución en RPM es 60 / (ranuras × Tventana) = 60 / (20 × 0,5) = 6 RPM.

El compromiso es el de siempre: una ventana larga da mejor resolución pero respuesta lenta a los cambios de velocidad; una ventana corta responde rápido pero con más incertidumbre. A velocidades bajas conviene cambiar de método: medir el período entre pulsos con un temporizador (tema 24 del curso de Microcontroladores), que da mucha más resolución y una velocidad por cada pulso.

El conteo se hace con una interrupción por flanco que incrementa un contador (tema 22 del curso de Microcontroladores). La señal de un optointerruptor suele ser limpia (no tiene rebotes mecánicos), pero puede tener ruido eléctrico: una histéresis adecuada en el comparador evita los falsos pulsos. Con frecuencias de miles de hertz, la rutina de interrupción debe ser muy corta.

09 · Analogía con programación

Con y sin histéresis, y cuentas de RPM

Simulemos el problema central del tema. Una señal analógica sube lentamente de 2,0 V a 3,0 V a lo largo de 200 muestras, con ruido de σ = 0,06 V. El umbral es 2,5 V. Contamos cuántas veces conmuta la salida de un comparador sin histéresis y de uno con histéresis de ±0,15 V (2,35 V y 2,65 V). Ideal: una sola conmutación. La segunda parte aplica la fórmula de RPM. El generador usa semilla fija para que sea reproducible, y la suma de doce números uniformes aproxima una distribución normal.

def azar(semilla):
    estado = semilla
    while True:
        estado = (1103515245 * estado + 12345) % 2**31
        yield estado / 2**31


def normal(generador):
    """Suma de 12 uniformes menos 6: aproxima una normal de media 0 y sigma 1."""
    return sum(next(generador) for _ in range(12)) - 6


N = 200
generador = azar(5)
senal = [2.0 + 1.0 * i / (N - 1) + 0.06 * normal(generador) for i in range(N)]


def sin_histeresis(x, umbral):
    return [1 if v > umbral else 0 for v in x]


def con_histeresis(x, bajo, alto):
    estado = 0
    salida = []
    for v in x:
        if v >= alto:
            estado = 1
        elif v <= bajo:
            estado = 0
        salida.append(estado)
    return salida


def conmutaciones(s):
    return sum(1 for a, b in zip(s, s[1:]) if a != b)


simple = sin_histeresis(senal, 2.5)
schmitt = con_histeresis(senal, 2.35, 2.65)
print(f"Sin histéresis : {conmutaciones(simple)} conmutaciones, primera subida en la muestra {simple.index(1)}")
print(f"Con histéresis : {conmutaciones(schmitt)} conmutación, primera subida en la muestra {schmitt.index(1)}")


def rpm(pulsos, ranuras, ventana_s):
    return pulsos * 60 / (ranuras * ventana_s)


print()
for pulsos in (249, 250, 251):
    print(f"{pulsos} pulsos en 0,5 s con 20 ranuras -> {rpm(pulsos, 20, 0.5):.0f} RPM")

Resultado: sin histéresis hay 5 conmutaciones (cuatro de más: el temblor cerca de 2,5 V) y la primera subida ocurre en la muestra 88, antes de que la señal supere de verdad el umbral de forma sostenida. Con histéresis hay una sola, en la muestra 123, a cambio de detectar el cruce más tarde. En la segunda parte, 249, 250 y 251 pulsos dan 1494, 1500 y 1506 RPM: el ±1 pulso equivale a ±6 RPM. Probá reducir la banda a ±0,02 V y observá cuándo reaparece el chatter.

Dos ideas para llevarse: la histéresis cuesta retardo (la conmutación llega 35 muestras después) y la resolución de la medición de RPM está limitada por el cuantizado en pulsos, no por la aritmética. El modelo supone ruido gaussiano estacionario; el real puede tener interferencias periódicas que requieren otras medidas.

10 · Exploración interactiva

Un comparador con ruido y un contador de revoluciones

El primer instrumento muestra una señal analógica con ruido y la salida de un comparador. Podés dejarla en un nivel constante cerca del umbral o hacer que atraviese el umbral lentamente. El segundo calcula las RPM que mide un optointerruptor de ranura con un disco ranurado.

En el instrumento 1, las líneas punteadas son los umbrales de subida y bajada; si la histéresis es 0, son una sola. La salida del comparador se dibuja debajo de la señal. Las conmutaciones «ideales» son 1 para la rampa que cruza el umbral y 0 para el nivel constante.

Recorrido guiado

1. Con la rampa, ruido de 0,06 V y sin histéresis, tomá varias series: la salida conmuta varias veces en lugar de una sola. Eso es el chatter.
2. Elegí 0,30 V de banda: la salida conmuta una vez y se mantiene limpia. Observá que ahora lo hace más tarde, cuando la señal alcanza el umbral superior.
3. Subí el ruido a 0,10 V con la banda de 0,30 V: la banda (3σ) es menor que el pico a pico del ruido (unos 0,6 V) y el chatter vuelve. Probá la banda de 0,60 V: el temblor casi desaparece. La banda debe ser comparable al ruido pico a pico.
4. Pasá a «Nivel constante» y poné el nivel igual al umbral (2,50 V) con ruido 0,06 V y sin histéresis: la salida oscila sin parar aunque la señal no cambie de verdad. Con histéresis, queda quieta.
5. En el instrumento 2, con 20 ranuras y 1500 RPM: 500 Hz, 250 pulsos en 0,5 s, resolución ±6 RPM. Pasá a 1 ranura: la resolución cae a ±120 RPM.
6. Con 60 ranuras, subí la velocidad a 12 000 RPM: la frecuencia llega a 12 kHz y los niveles duran unos 42 µs, en el límite de un fototransistor común. El aviso lo indica.

11 · Método de trabajo

Cómo elegir y ajustar un sensor de umbral

1. Decidí si necesitás el valor o solo la decisión. Si el valor puede importar más adelante, usá AO y decidí por software.
2. Identificá la polaridad lógica: ¿DO es activo en alto o en bajo? Confirmalo con un multímetro o con el LED del módulo.
3. Conectá con el pull-up adecuado si la salida es de colector abierto, y verificá el nivel de tensión del microcontrolador.
4. Medí el ruido en el punto de trabajo con la salida analógica (tema 2) y dimensioná la histéresis a 4–6 veces σ.
5. Ajustá el umbral en la condición real (no en el banco): la luz de la habitación, la distancia efectiva, la superficie del objeto.
6. Protegé contra la luz ambiente si el sensor es óptico: carcasa, filtro, modulación o medición diferencial.
7. Pensá en la falla: un LED emisor quemado, polvo en la ranura o un cable cortado pueden parecer «no hay objeto». Para seguridad, preferí configuraciones en las que la falla se interprete como detección.
8. Documentá el ajuste (posición del potenciómetro o valor de las constantes) y planificá una revisión periódica.

Si el módulo «se dispara solo» o no detecta, revisá primero el umbral (¿está bien ajustado para la condición actual?), luego la luz ambiente y el ruido, y por último la alimentación: un módulo con el LED de estado débil suele tener un problema de tensión.

12 · Comprensión

Confusiones frecuentes

13 · Práctica guiada

Predecí antes de comprobar

1. Banda de histéresis

Un comparador con umbral en 2,5 V recibe una señal con ruido de σ = 0,05 V. ¿Qué banda de histéresis elegirías y cuáles serían los umbrales de subida y bajada?

2. Pull-up mínimo

Una salida de colector abierto absorbe como máximo 4 mA con V_OL = 0,4 V. Si Vcc = 5 V, ¿cuál es la resistencia de pull-up mínima? ¿Qué corriente circula con una de 10 kΩ?

3. LED infrarrojo

Un LED IR tiene V_F = 1,25 V y se quiere alimentar con unos 15 mA desde 5 V. ¿Qué resistencia usarías (serie E12: 220, 270, 330 Ω)? ¿Qué corriente circula realmente?

4. Velocidad de un disco

Un disco de 20 ranuras gira a 1500 RPM. ¿Qué frecuencia tienen los pulsos? ¿Cuántos se cuentan en 0,5 s y cuál es la resolución?

5. Luz ambiente

Con el LED IR apagado la lectura es 310; con el LED encendido, 540. Más tarde sale el sol y la luz ambiente sube la lectura con el LED apagado a 480, y con el LED encendido a 710. ¿Cuál es la señal en cada caso? ¿Qué pasa si el segundo caso saturara el ADC (1023)?

6. Barrera o reflexivo

Elegí la configuración óptica más adecuada para (a) contar cajas opacas que pasan por una cinta transportadora, (b) un robot que debe seguir una línea negra sobre fondo blanco.

14 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el tema 8?

Antes de avanzar, calculá la banda de histéresis para una señal con σ = 0,04 V, dimensioná la resistencia de un LED infrarrojo de 1,3 V a 15 mA con 5 V, y decidí si usarías la salida digital o la analógica de un módulo de luz para un sistema que debe despertar a un microcontrolador dormido. Si podés justificar las tres respuestas, ya dominás los sensores de umbral.

En el próximo tema armamos un taller: panel de entradas digitales con eventos, que reúne los contactos, el antirrebote y los sensores de umbral en un único programa que detecta flancos, pulsaciones largas y dobles.