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Módulos de relé y Arduino: Domótica (1)

En este artículo ofrecemos información para controlar dispositivos que funcionan con el voltaje de red usando un módulo de relé. Al final de este trabajo usted debería poder controlar cualquier dispositivo eléctrico con un microcontrolador como el Arduino.

Módulo de dos relés

Un relé es un interruptor mecánico operado eléctricamente que se puede encender o apagar, dejando pasar la corriente o no, y se puede controlar con voltajes bajos, como los 5V utilizados en la alimentación de un Arduino.

Nota: «NO» corresponde al inglés Normally Open (normalmente abierto) y «NC» a Normally Closed (normalmente cerrado). Un relé desactivado tiene unidos entre sí los contactos COMÚN y NC, y cuando se lo activa aplicando corriente a su bobina, quedan unidos entre sí los contactos COMÚN y NO.

Controlar un módulo de relé con el Arduino es lo mismo que controlar cualquier otra salida digital. El consumo de corriente de una de sus entradas es el mismo que se necesita para encender un led.

Aquí vemos cómo los relés están marcados en la parte de abajo, del mismo modo que se puede ver el símbolo con la disposición de los contactos del relé en la salida de alto voltaje del módulo:

Diagrama interno de los módulos de relé (se muestra para un solo relé, los circuitos se repiten)

En primer lugar veamos el esquemático que ofrece el fabricante:

El conector amarillo horizontal, el que no tiene un nombre de identificación, es el juego de pines de entrada de alimentación. Por allí ingresan al módulo tres valores:

GND, común o tierra.
VCC o alimentación positiva de 5V para la parte de la lógica de entrada: el resistor R1, la sección de emisión de luz de U1 (pines 1 y 2 del optoacoplador), N1 (led indicador) y IN0 (entrada del control).
■ Y JD-VCC, por donde ingresan 5V para alimentar el circuito de accionamiento del relé, compuesto por el fototransistor de U1 (pines 3 y 4 del optoacoplador), el resistor R2, el transistor Q1 para manejar la corriente de la bobina, D1 (diodo para eliminar la contracorriente del bobinado) y la bobina en sí del relé.

El conector J1 lleva al exterior los contactos del relé:

■ 1 es NO (Normally Open = Normalmente Abierto)
■ 2 es C, el contacto Común
■ 3 es NC (Normally Closed = Normalmente Cerrado).

Como es posible que algún lector no conozca el funcionamiento de un optoacoplador (también llamado optoacople), lo explicamos aquí.

Un optoacoplador es un chip como el de la imagen. Posee una entrada de dos pines (1 y 2 en el diagrama) que conectan a un led (diodo emisor de luz) y una salida de dos pines que conectan a un fototransistor (3 y 4 en el diagrama). El encendido del led pone en conducción al fototransistor, lo que cierra circuito entre su colector (pin 4) y su emisor (pin 3). Lo más importante del funcionamiento es que no hay contacto eléctrico entre entrada y salida. El único contacto es la luz emitida por el led, lo que implica una aislación muy elevada entre entrada y salida (en el orden de los 5000V), protegiendo las entradas (en este caso conectadas a un microcontrolador) ante cualquier riesgo de alto voltaje producido en el área de salida.

Estado desactivado del relé:

Estado activado del relé:

El módulo de relé de la foto del principio de este artículo tiene dos canales (los relé son las piezas azules). Hay otros modelos con uno, cuatro, ocho y hasta dieciséis canales. Este módulo debe ser alimentado con 5V, lo que es apropiado para usar con un Arduino. Hay otros módulos de relé que funcionan con 3,3V, ideal para ESP32, ESP8266 y otros microcontroladores, y también hay modelos de 12V.

Conexiones del módulo de relé

La siguiente figura muestra la función de los contactos del módulo de relé.

Los seis pines en el lado izquierdo del módulo del relé controlan voltaje alto, y los pines en el lado derecho se conectan al componente que entrega bajo voltaje, como los pines digitales de un Arduino u otro microcontrolador.

Conexiones de tensión de red

El lado de alto voltaje tiene dos conectores, cada uno con tres contactos: común (COM), normalmente cerrado (NC: Normally Closed) y normalmente abierto (NO: Normally Open).

COM : pin común

NC (Normalmente cerrado): la salida normalmente cerrada se usa si es necesario que el relé cierre circuito en estado de reposo, sin alimentación incluso, de modo que la corriente fluya por estos contactos hasta que se envíe una señal por las entradas del módulo para abrir ese circuito y detener la corriente.

NO (normalmente abierto): la configuración normalmente abierta funciona a la inversa: este contacto del relé está siempre abierto, y el circuito no conduce corriente a menos que se envíe una señal por su entrada para activar el circuito.

Si solo se desea encender una lámpara ocasionalmente, lo mejor es usar la configuración de circuito normalmente abierto.




Cableado de pines

El lado de baja tensión tiene un conjunto de cuatro pines, y otro conjunto de tres pines.

El conjunto señalado con flechas de color posee las conexiones de VCC y GND para alimentación de la lógica digital del módulo (esencialmente, los leds de los optoacopladores de entrada), y la entrada 1 (IN1) y entrada 2 (IN2) para controlar los relés 1 y 2, respectivamente, aplicando un nivel lógico BAJO.

El otro conjunto de pines (señalado por flechas grises) tiene los pines JD-VCC, VCC y GND. El pin JD-VCC es la alimentación para los electroimanes de los relés, y se lo alimenta generalmente con una fuente de 5V separada. Para hacerlo se retira el puente (celeste en la imagen) que une la alimentación de los leds de los optoacopladores con la alimentación de las bobinas de los relés. Usando dos fuentes independientes se obtiene la máxima separación eléctrica entre las entradas de control y la línea controlada de 220V, u otro voltaje superior a 5V, en las salidas.

NOTA: observe que el módulo tiene un puente que conecta los pines VCC y JD-VCC; el que se muestra aquí es azul, pero el de su módulo puede ser de un color diferente. El puente permite elegir si el circuito está físicamente conectado a los 5V del Arduino o no, y se puede optar por tenerlo colocado o no. Con el puente puesto, los pines VCC y JD-VCC están unidos. Eso significa que el electroimán del relé se alimenta directamente del pin de alimentación del Arduino, de modo que el módulo de relé y los circuitos de Arduino no están físicamente aislados entre sí. Sin el puente, se debe proporcionar una fuente de alimentación independiente para activar el electroimán del relé a través del pin JD-VCC. Esa configuración aísla físicamente los relés del Arduino, gracias al optoacoplador incorporado en el módulo.

Las conexiones entre el módulo de relé y el Arduino son realmente simples:

GND : va a común o “tierra” (lado negativo de la alimentación)
IN1 : controla el primer relé (se conectará a un pin digital Arduino)
IN2 : controla el segundo relé (debe estar conectado a un pin digital Arduino si se está utilizando este segundo relé. De lo contrario, no necesita conectarlo)
VCC : va a 5V

Luego de esta introducción para familiarizarnos con los módulos, veremos algunos detalles mecánicos y electrónicos, y luego un ejemplo sencillo para controlar el relé con un programa en el Arduino.

Un relé por dentro:


Conclusión

Controlar un módulo de relé con el Arduino es tan simple como controlar una salida digital: solo se deben enviar señales ALTAS o BAJAS utilizando un pin digital de Arduino, u otro microcontrolador o circuito digital. Con el módulo de relé se pueden controlar casi todos los dispositivos caseros de corriente alterna (no solo lámparas). Si usted va a manejar motores, es conveniente utilizar un componente de potencia de mayor capacidad, por ejemplo un relé de estado sólido.

Esta recomendación se debe a que los contactos de un relé que maneja excesiva corriente con voltajes altos producen chispas al abrirse y al cerrarse, y el efecto es mucho más si la carga que manejan es inductiva (bobinados). Luego de un tiempo, los contactos metálicos pueden quedar pegados entre sí, o dejar de conducir corriente por la carbonización del metal.

En la foto que sigue se muestran a la izquierda contactos de relé en perfectas condiciones, y a la derecha cómo quedan cuando son afectados por las chispas debidas a sobrecargas de corriente.

Prueba 1:

Para visualizar de manera rápida y simple la activación de un relé con una lámpara conectada, usted puede correr el programa básico Blink que se ofrece en la lista de ejemplos del IDE de Arduino, conectando la entrada (IN1, por ejemplo) al pin digital 13, y alimentando el módulo con 5V y GND desde las salidas del Arduino. Esto solo es conveniente como experimento, una prueba simple, pero recuerde que hay que limitarse a trabajar con un solo un relé conectado y activado a la vez. El relé cerrará cada vez que el led se apague, una vez por segundo.

Diagrama para la prueba:

En el artículo que sigue, Activar relés usando línea serie: Domótica (2), mostraremos una de las maneras de comandar estos módulos para su uso en control de luces y artefactos eléctricos.

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Control de relés por enlace de 2,4 GHz – módulos NRF24L01: Domótica (4)
Descripción y funcionamiento del Bus I2C
¿Qué es la comunicación serie?



Manejo preciso de servos en Arduino: grados y milisegundos

Siendo miembro de grupos donde uno se entera de diversos problemas que se les presentaron a otros, a veces uno que resulta básico pero nunca se le ha presentado. En este caso se trató de un problema con el manejo de un servo que es el más vendido para los que se inician, y que a demás viene con los kits básicos de Arduino: el mini o micro servo SG90. El problema se presenta con la biblioteca Servo, pero también puede ocurrir con otro programa.

Me dije —ya que he manejado servos desde antes de que apareciera Arduino— que el problema debía ser una señal de posicionamiento incorrecta. Para entender bien de qué hablo, le pueden dar una mirada al artículo Servos: características básicas.

Una señal se comprueba con osciloscopio. Por suerte dispongo tanto de uno antiguo, con pantalla CRT, como de los que se pueden comprar ahora dentro de la familia Arduino, dotado de un pantalla TFT.

Después de algunas mediciones, me di cuenta de que el funcionamiento de la biblioteca Servo.h de Arduino deja un poco que desear, ya veremos por qué. Pero también ofrece una herramienta (en la función servo.attach) que, bueno, puede ser que no hayamos investigado y que por algo está disponible. Esto puede parecer algo para principiantes, pero hasta que uno empieza a tener estas complicaciones no se da cuenta, y luego de tener una comprensión mejor se logra usar la biblioteca de servo de Arduino con facilidad y dominando lo que hace.

Función write()

La razón de ser de una biblioteca es que uno se pueda desentender del manejo de programa específico de un elemento conectado a una placa de microcontrolador, y bueno, la biblioteca Servo de Arduino fue hecha para facilitar el control de los servos con un mínimo de código y complicaciones. La página de referencia de Arduino para el comando write(), que es parte de la biblioteca Servo.h, trae el siguiente código de ejemplo:

Este código de ejemplo le indica a un servo, conectado en este caso al pin 9, que se mueva a su posición central (que se define como 90°). Si se tratara de un servo de rotación continua, esto detendrá el movimiento del servo… pero este es tema para otro artículo.

Al correr este pequeño programa de demostración, los servos que se han conectado a ese pin se colocarán en sus posiciones centrales. Pero bueno, si lo consideramos desde la faceta mecánica, este punto medio puede que en algunos servos no sea exactamente el centro del arco completo del recorrido.

Un pulso con un ancho de 1.500 microsegundos debe corresponder a 90°, posición definida como el punto central del recorrido. Los servos más comunes aceptan entradas de 1.000 µs (1 ms) a 2.000 µs (2 ms), y 1.500 µs (1,5 ms) correspondientes a la posición central. Para un servo con un recorrido de 0 a 180°, esto sería 90°.





Ahora me toca aclarar que siempre utilicé valores en microsegundos para controlar servos, ya que la precisión del posicionamiento es mucho mayor. La biblioteca de servos permite usar el comando writeMicroseconds, que define el ancho de pulso exacto que se desea enviar a un servo. Los problemas comienzan cuando se usan ejemplos —ya escritos— en los que se utiliza el comando de escritura con un parámetro en grados (en el ejemplo de arriba, 90°).

Parecería lógico que un comando de escritura que instruye a un servo para que se ajuste a 90° debería enviar los mismos pulsos que un comando writeMicroseconds que envía pulsos de 1.500 µs. Es decir, write(90) y writeMicroseconds(1500) deberían enviar pulsos idénticos de 1500 µs. Pero resulta que esta suposición puede llevarnos a problemas.

Basándome en un ejemplo de internet, subí el siguiente código a un Arduino UNO R3, y visualicé las señales con osciloscopio.

Aquí es cómo se ven las salidas de los pines 3, 4 y 5:

■ El pin 3 de Arduino, fijado en 90°, da un pulso de 1,472 ms
■ El pin 4 de Arduino produce un pulso de 1.500 µs: 1,500 ms
■ El pin 5 de Arduino, fijado en 90°, da un pulso de 1,500 ms

El ancho de pulso se mide con el programa del osciloscopio. Por las dudas de que sea un problema técnico del osciloscopio, midiendo con un papel superpuesto sobre la pantalla se puede observar que sí existe la diferencia.

Y también al superponer señales, se observa la diferencia.

Esta diferencia entre 1.472 µs y 1.500 µs es pequeña y puede ser que ni siquiera implique diferencias en las posiciones del servo.

Si se observa la señal de servo3, que también programa el movimiento del servo con el parámetro de colocarse en posición de 90°, se nota que el ancho del pulso es correcto, 1.500 µs, el mismo que para servo2, para el que se fijó el pulso en forma directa en 1.500 µs.

El comando write(90) es el mismo en la primera y la tercera señal de servo, así que… ¿por qué uno envía un pulso de 1,472 ms y el otro 1,500 ms?

Arduino attach()

La respuesta está en el comando attach de la librería Servo. La página de referencia de Arduino enumera dos formas del comando:

La primera versión es el código mínimo que requiere un programa para designar un pin de E/S para el control de un servo. El segundo formato incluye dos parámetros muy importantes, pero opcionales, que determinan el rango mínimo y máximo de ancho de pulso para el programa. Es posible que en el ejemplo de arriba, el uso de límites en el segundo servo haya acomodado los valores de tiempo para que el tercero reciba un pulso correcto; pero al volver el bucle al principio y correr la función para 90º sin topes definidos, se vuelve a desacomodar.

Tanto en la página de referencia del comando attach en arduino.cc como en la propia biblioteca Servo, se establece claramente que las configuraciones mínimas y máximas predeterminadas son 544 y 2.400 µs, respectivamente. Pero como hay servos con diferentes extremos de carrera, se pueden fijar estos límites “opcionales” de ancho de pulso, que en realidad —para evitar dolores de cabeza y roturas de los servos— sería bueno acostumbrarse a usar.

Si uno está habituado a usar el comando writeMicroseconds en lugar de write, es posible que nunca haya pensado en los parámetros de ancho de pulso mínimo y máximo. Pero si se usa el comando write y se establecen las posiciones de los servos con ángulos y grados, entonces DEBEMOS definir explícitamente estos parámetros en los programas de Arduino que usan Servo.h, previa lectura de los datos indicados en la hoja de datos del servo utilizado. O si no, definiéndolos experimentalmente; porque hasta existen diferencias entre servos del mismo modelo.

Para definir los valores correctos de extremos de recorrido de un servo, puede utilizar un montaje como el que sigue, que se trata de una cartulina impresa y una aguja señaladora de cartón en el eje del servo, y enviar comandos con writeMicroseconds() hasta lograr el valor para el ángulo cero y el ángulo 180. El disco lo imprimí con un programa on-line muy útil para crear imágenes de discos de encoder.

Ingrese a esta página y pruebe primero con los siguientes parámetros:

Luego puede jugar con los valores hasta lograr el dibujo que usted necesite. Hay otras opciones en internet, incluso hay generadores de código postscript que se puede leer en Corel y que corren en Windows. Es cuestión de buscar.

Solución para la librería Servo

En el código de ejemplo, para la tercera señal de servo no dejaremos los anchos de pulso predeterminados y fijaremos los límites con los valores 1.000 y 2.000 µs. Esta es la razón por la que las señales del primero y tercer servo envían pulsos diferentes aunque se utilicen comandos idénticos.

Además de que no lograremos posicionamientos correctos de los servos con señales ligeramente descentradas, un servo podría interpretar de manera impredecible los anchos de pulso por encima o por debajo de los límites para los que fue diseñado. Los pulsos por debajo y por encima del límite también pueden dañar físicamente un servo.

Si un servo con recorrido de 0 a 180° está diseñado para responder a pulsos de 1.000-2.000 µs, interpretará 1.000 µs como 0°, y 2.000 µs como 180°. Pero, con un rango de límites de ancho de pulso predeterminado de 544 a 2.400 µs, el Arduino enviará una señal de ~1.000 µs para un ángulo de 44°. Un rango de pulsos de 1.000 a 2.000 µs se convertirá en un recorrido mecánico total de ~90° del eje del servo en lugar de 180°. Este y otros problemas potenciales pueden evitarse si se usan microsegundos en lugar de ángulos en grados, o si los parámetros opcionales de ancho de pulso para los extremos se definen en la configuración de pines para cada servo.

Es muy común que se dé por sentado que las bibliotecas de Arduino funcionan correctamente con sólo unos simples parámetros. La próxima vez que sus servos actúen de forma impredecible en un nuevo proyecto, vuelva a verificar que ha establecido los límites de ancho de pulso en la configuración del pin. Puede que con esto sea suficiente y se ahorre gran cantidad de tiempo.



¿Qué es BeagleBone Blue?


BeagleBone® Blue es una computadora integrada en un sistema compacto en una placa, basada en Linux y pensada para robótica, que consta de una sola plaqueta pequeña (8,9 cm x 5,5 cm).

El microprocesador es Octavo Systems OSD3358, posee wifi/bluetooth, IMU, barómetro, regulación de potencia y estado de LED de carga para una batería LiPo de 2 celdas. Tiene puentes H y conectores para 4 motores de CC + sus codificadores (encoders), para 8 servos y todos los buses comúnmente necesarios para adicionar periféricos en aplicaciones integradas.

De código abierto y con un activo respaldo de una comunidad, su rendimiento en tiempo real, flexibilidad para funcionan en redes y el amplio conjunto de capacidades orientadas a la robótica hacen que construir robots móviles con Blue sea rápida, ágil, asequible y divertida.

Especificaciones

■ Procesador: Octavo Systems OSD3358
■ AM335x 1GHz ARM® Cortex-A8 processor
■ 512MB DDR3 RAM
■ 4GB 8-bit eMMC flash storage
■ Manejo Integrado de alimentación.
■ 2×32-bit 200-MHz unidades programables de tiempo real (programmable real-time units, PRUs)
■ Acelerador NEON de punto-flotante.
■ ARM Cortex-M3
■ USB 2 cliente con alimentación y comunicaciones, USB 2 host
■ Programado con Debian Linux

Connectividad y sensores

■ Soporte para batería LiPo de 2 celdas con carga balanceada y monitor LED del estado de carga
■ Entrada del cargador: 9-18 V
■ Conexión inalámbrica: wifi IEEE 802.11bgn, Bluetooth 4.1 y BLE
■ Control de Motores: 8 salidas para servo 6V, 4 salidas puente-H para motores CC, 4 entradas para encoder de cuadratura
■ Sensores: IMU MPU9250 de 9 ejes (acelerómetros, giroscopios, magnetómetro), BMP280 barómetro y termómetro
■ Interfaz de usuario: 11 LEDs programables por el usuario, 2 botones programables por el usuario
■ Interfaces con conectores JST para agregar buses y periféricos adicionales: GPS, radio DSM2, UARTs, SPI, I2C, 1,8V analog, GPIOs 3,3V

Compatibilidad de Software

ROS (Robot Operating System)
ArduPilot
MATLAB – Simulink
LabVIEW
Cloud9 IDE en Node.js
Python
OpenCV
Copter
■ Y aún más…

Especial para utilizarlo en drones y en robots navegadores autónomos.

Página de BeagleBone
Literatura de respaldo



EasyDriver – Controladora de motor paso a paso con modos de micropaso

La EasyDriver nos da la capacidad de manejar motores paso a paso bipolares con consumos entre 150 mA a 700 mA por fase. Permite el control motores bipolares con mucha facilidad de programación en modo estándar de paso directo, y en modos de micropaso de 1/2, 1/4 y 1/8 de paso.

Con respecto a cuestiones de hardware, se pueden soldar cables directamente al EasyDriver, o utilizar conectores en la alimentación, motores y señales de control para poder realizar cableados de prueba. La mejor opción para usted dependerá de su aplicación.

Lecturas sugeridas

Si usted no está familiarizado con los siguientes conceptos, se recomienda revisarlos antes de empezar a trabajar con la EasyDriver.

Instalar el entorno de desarrollo integrado de Arduino (IDE)
Motores paso a paso
Video motor paso a paso

Descripción general del hardware

La placa EasyDriver fue diseñada por Brian Schmalz, y su núcleo principal es el circuito integrado A3967. Este integrado permite manejar motores paso a paso bipolares con configuraciones de 4, 6 u 8 cables. La placa puede trabajar controlado desde sistemas de 3,3 V o 5V, por lo que es extremadamente versátil. Dos agujeros de montaje en la placa le dan al usuario la opción de sostener la EasyDriver con tornillos o postes de sujeción.

Descripción de las entradas y salidas de la placa

Vamos a echar un vistazo a todos los pines perforados que conectan hacia el exterior el circuito integrado A3967 en la EasyDriver.

Conexiones de la parte superior de la placa

Si se observa a lo largo de la parte superior de la placa, podrá ver varias perforaciones de conexión.

Funcionan de la siguiente manera:

Coil A+ : Salida del puente-H, polo + de la conexión para la bobina A del motor bipolar.
Coil A- : Salida del puente-H, polo – de la conexión para la bobina A del motor bipolar.
Coil B+ : Salida del puente-H, polo + de la conexión para la bobina B del motor bipolar.
Coil B- : Salida del puente-H, polo – de la conexión para la bobina B del motor bipolar.
PFD : Voltaje de entrada que selecciona el modo de descenso de la corriente de la salida. Si PFD > 0,6 Vcc, activa el modo de descenso de corriente lento. Si PFD < 0,21 Vcc, activa el modo de descenso rápido. Si el valor está en 0,21 Vcc < PFD < 0,6 Vcc se produce un descenso intermedio de la corriente. RST : Entrada lógica. Cuando está en BAJO, todos los comandos son ignorados y todos los transistores de salida se desactivan. Debe ser puesto en ALTO para habilitar el control de los pasos.
ENABLE : Entrada lógica. Permite que funcionen los transistores de salida dentro del puente H que maneja el motor. Si se pone en ALTO, desactiva los transistores, y el chip no manejará el motor. Si se pone en BAJO, los transistores de salida son habilitados, lo que permite el control del motor.
MS2 : Entrada Lógica. Ver tabla de verdad de abajo para los ALTOS y BAJOS que definen la funcionalidad.
GND : Tierra.
M+ : Fuente de alimentación. 6-30V, corriente 2A.

Conexiones de la parte inferior de la placa

También hay conexiones en la parte inferior de la placa. Sus funciones son:

GND : Tierra.
5V : Salida. Este pin puede ser utilizado para alimentar un circuito externo. Se pueden utilizar como máximo 70 mA para asegurar la funcionalidad del controlador.
SLP : Entrada lógica. Cuando pone a BAJO, las salidas están desactivadas y el consumo de energía se reduce al mínimo.
MS1 : Entrada lógica. Ver tabla de verdad de abajo para los ALTOS y BAJOS que definen la funcionalidad.
GND : Tierra.
STEP : Entrada lógica. Cualquier transición en este pin de BAJO a ALTO activa el motor para que avance un paso. La dirección y la extensión de los pasos se controla por la configuración de los pines DIR y MSx. Esta podrá ser de 0 a 5 V, o de 0 a 3 V en base al nivel lógico que se ha seleccionado.
DIR : Entrada lógica. Esta línea determina la dirección de rotación del motor. Los cambios en el estado de ALTO a BAJO, o BAJO a ALTO solo tienen efecto en el siguiente flanco de subida de la línea de comando STEP. Esta podrá ser de 0 a 5 V, o de 0 a 3 V en base al nivel lógico que se ha seleccionado.

Puentes de soldadura

Hay dos conjuntos de puntos de soldadura para soldar puentes de configuración en la placa. Estos proporcionan las siguientes elecciones para el usuario:

3/5 V – Este puente permite que el usuario defina la configuración de VCC entre 3,3 V o 5 V. Con el puente abierto, VCC será de 5 V. Si el puente está cerrado, VCC es de 3,3 V. El valor de VCC define los niveles lógicos que aceptará la placa en sus entradas.

APWR – Este puente habilita que la fuente VCC entregue + y GND en los pines de alimentación de hardware externo.

Potenciómetro de ajuste de corriente

El potenciómetro que se incluye en la placa permite que los usuarios puedan ajustar la corriente máxima que se suministra al motor. El rango de ajuste va de 150 mA a 750 mA. Esto requerirá saber qué valores de corriente puede manejar su motor. Revise la hoja de datos del motor para una calibración correcta.

Si usted no puede encontrar esta información, no se preocupe: todavía puede encontrar el ajuste adecuado de este potenciómetro. En primer lugar, establezca el potenciómetro en su valor mínimo. Tenga en cuenta que el potenciómetro es delicado, así que no fuerce el potenciómetro más allá de los topes mecánicos que lo detienen en ambos extremos de su giro. Aumente lentamente la corriente observando el movimiento del motor. Una vez que el motor se mueva a una velocidad lenta pero constante, gire poco a poco el potenciómetro y preste atención al comportamiento del motor. Usted debe encontrar un punto justo en el que el motor no salte o se observen tirones entre los pasos.

Conectar los cables de las bobinas del motor

Usted tendrá que determinar cuáles son los pares de cables de cada bobina del motor que va a utilizar. El método más fiable para hacerlo es observar la hoja de datos del motor, donde indicará los colores de los cables o la posición de los puntos de conexión.

Diagrama de bobinas de un motor paso a paso NEMA 16 con cables


Sin embargo, si usted va a utilizar cualquier otro motor paso a paso de 4 o 6 cables, es posible determinar los pares correctos de cables de cada bobina a conectar sin tener la hoja de datos.

Determinación de los cables de un motor paso a paso

En un motor de 4 cables, tome uno de los cables y compruebe con un multímetro su resistencia contra cada uno de los tres cables restantes. Aquel cable que muestre el menor valor de resistencia contra el primer cable es el que está apareado con él. Los otros dos cables deben mostrar resistencia similar entre ellos.

Para un motor de 6 cables, usted tendrá que determinar cuáles son los tres cables que están unidos a una bobina. Escoja un cable y pruebe su valor de resistencia contra todos los otros cables. Dos de los cables deben mostrar algún valor de resistencia entre ellos y el primer cable escogido, mientras que los otros tres no mostrarán conexión en absoluto. Una vez que se han determinado cuáles son los tres cables de una bobina, busque a dos entre estos tres que muestren la mayor resistencia entre sí. Estos serán los cables a usar de esta bobina. Repita el procedimiento para el segundo grupo de tres cables.




Una vez que haya determinado los pares de cables de la bobina, debe unirlos a la placa EasyDriver. El par de cables de la primera bobina debe ser conectado a la conexión Coil A+ y el otro a Coil A-. El par de cables de la segunda bobina se conecta a Coil B+ y a Coil B-. Las bobinas no tienen polaridad, así que usted no debe preocuparse de conectar una bobina al revés en la placa. En nuestro ejemplo, estamos usando un motor de 4 cables. Las conexiones entre la EasyDriver y el motor son como sigue.

Conexión EasyDriver al motor (Nema 14, 16 o similar)

Conecte una fuente de alimentación

Una vez que el motor está cableado, puede conectar una fuente de alimentación para la EasyDriver. Se puede utilizar cualquier tipo de fuente de alimentación (de escritorio, adaptador de pared, una batería, etc.), pero compruebe que cualquiera sea la opción que se utilice debe ser capaz de entregar hasta 2 A y estar en el rango de 6 V a 30 V.

Conecte la fuente de alimentación a M+ y GND. Recuerde desconectar la alimentación antes de conectar o desconectar el motor.

Conectar a un microcontrolador

Necesitaremos:

Cables

Arduino UNO R3

Conectores

Motor paso a paso bipolar con corriente de bobina hasta un máximo de 700 mA

Para este ejemplo, vamos a utilizar un Arduino UNO. Sin embargo, cualquier microcontrolador que funcione con una lógica de 3,3 V o 5 V, y que posea entradas / salidas digitales con capacidad de trabajar en modo PWM sirve para utilizar con este ejemplo de circuito.

Aquí están las conexiones para nuestro ejemplo:

Circuito final

Una vez que está todo conectado, el circuito debe tener el siguiente aspecto:

Ejemplo de código básico para el Arduino

Ahora que usted tiene el hardware conectado y listo para funcionar, es el momento de obtener el código y cargarlo. En primer lugar, descargue el programa de ejemplo.

DESCARGAR EL PROGRAMA DE DEMOSTRACIÓN DE LA PLACA EASYDRIVER
DESCARGAR PROGRAMA COMPLETO CON COMENTARIOS Y NOMBRES EN ESPAÑOL

Para obtener el código más actualizado que esté disponible, se puede consultar el repositorio de GitHub. Si usted necesita un recordatorio en cuanto a cómo se instala una biblioteca en el IDE de Arduino, por favor vea este tutorial aquí.

La primera sección del programa define todas las conexiones entre el Arduino y la EasyDriver. También establece estos pines como salidas, y los pone a los niveles lógicos adecuados para comenzar a manejar el motor.

Una cosa que debemos señalar es que el código también inicializa la conexión serie a 9600 bps. Esto permite que el usuario dé las indicaciones para controlar la funcionalidad del motor y depurar las conexiones, si es necesario.

El bucle principal del código es bastante simple. Arduino comprueba el puerto serie para ver si hay una orden ingresada por el usuario. Cuando lo recibe, compara con las cuatro posibles funciones para el motor, que inicia su funcionamiento cuando llega la entrada del usuario. Si se escribe una entrada que no sea una de las opciones posibles, Arduino imprime una indicación de error en el puerto serie.

Después de que la solicitud de una función se ha completado, la EasyDriver se restablece a los valores predeterminados.

La primera de las cuatro funciones que se habilita en este programa de demostración es un ejemplo básico que muestra el motor girando en un sentido. El pin de dirección (DIR) se coloca en BAJO (LOW), que para nuestro programa se define como la dirección «Adelante». A continuación, pone el pin STEP a ALTO (HIGH), hace una pausa y, a continuación, lo coloca en BAJO.

Recuerde: el motor da pasos cuando hay transiciones en el pin STEP de BAJO a ALTO, por lo que hay que cambiar el estado del pin una y otra vez. Esto se repite 1000 veces y, a continuación, Arduino solicita una entrada de usuario para determinar la siguiente actividad del motor.

La función de giro inverso funciona exactamente de la misma forma que la anterior, la única diferencia es que en lugar de poner el pin de dirección a BAJO, lo establecemos en ALTO, por lo tanto cambiará la dirección de giro del motor.

Una cosa que usted puede probar en cualquiera de estas dos funciones es modificar la velocidad del motor al cambiar el valor pasado a delay(). Está establecido en 1 microsegundo, haciendo que el pulso para cada paso sea de 2 microsegundos. El aumento de la demora reduce la velocidad del motor, mientras que al disminuir el retardo aumenta la velocidad del motor.

La tercera función demuestra las diferentes opciones de micropasos (microstepping) que proporciona la EasyDriver. Para habilitar el motor paso a paso a 1/8 de paso, debemos establecer MS1 y MS2 en ALTO. Esto establece la lógica de la placa al modo de 1/8 de paso.

Si usted quiere probar el motor paso a paso con diferentes modos de paso, cambie la configuración de uno de los pines MS#. Compruebe la tabla en la sección de Descripción de Hardware, si usted necesita recordar qué modo se habilita al configurar los diversos estados de las entradas.

La última función de movimiento disponible muestra cómo el motor puede cambiar de dirección en un instante. La función trabaja como en el avance y retroceso de las funciones anteriores, pero cambia entre los estados con rapidez. Este ejemplo de prueba del motor paso a paso le hace dar 1000 pasos hacia adelante y, a continuación, invertir 1000 pasos. Esto permite, precisamente, mover algo con el motor en una dirección, y volver exactamente a la posición inicial.

El control preciso de posición es una gran ventaja de los motores paso a paso.

Una vez que la acción concluye, los pines de entrada se deben volver a establecer en el estado predeterminado para evitar comportamientos inesperados del motor, o no deseados. Hacemos uso de la función resetEDPins() para lograr esto.

Programa completo

Ejemplos adicionales

Además el ejemplo presentado aquí, también se puede instalar la biblioteca AccelStepper. Hay algunos ejemplos adicionales en esta biblioteca que pueden ser beneficiosos para utilizar con su EasyDriver. Descargue e instale la biblioteca en su carpeta de bibliotecas Arduino.

Usted también puede encontrar algunos ejemplos adicionales sobre la EasyDriver en la página aquí.

Recursos Adicionales

Eche un vistazo a estos recursos adicionales para obtener más información y otras ideas para sus proyectos.

Página de Schmalz Haus sobre el Easy Driver
Repositorio de GitHub
Hoja de datos del integrado A3967



Unidad de Medición Inercial Multipropósito – IMU Razor M0 de 9DoF (parte 1)

La IMU Razor M0 de 9DoF (Unidad de Medición Inercial Multipropósito: Multi-purpose Inertial Measurement Unit = IMU) combina un microprocesador SAMD21 con un sensor MPU-9250 de 9DoF (nueve grados de libertad), creando una unidad compacta y reprogramable. Se puede programar para monitorear y registrar movimiento, transmitir ángulos de Euler por un puerto serie, o incluso para funcionar como un podómetro que cuente los pasos.

Una unidad de medición inercial o IMU (del inglés inertial measurement unit), es un dispositivo electrónico que mide e informa acerca de la velocidad, orientación y fuerzas gravitacionales de un aparato, usando una combinación de acelerómetros y giróscopos. En este caso se agrega un nivel más: un magnetómetro, que permite conocer la ubicación respecto al campo magnético terrestre. Las unidades de medición inercial se usan para maniobrar aviones, incluyendo vehículos aéreos no tripulados, entre muchos otros usos, y además naves espaciales, incluyendo transbordadores, satélites y aterrizadores. La IMU es el componente principal de los sistemas de navegación inercial usados en buques y misiles guiados entre otros. En este uso, los datos recolectados por los sensores de una IMU permiten a un computador seguir la posición del aparato, usando un método conocido como navegación por estima.

El chip MPU-9250 de 9DoF de la Razor posee tres sensores cada uno de tres ejes –un acelerómetro, un giroscopio y un magnetómetro– que le dan la capacidad de detectar aceleración lineal, velocidad de rotación angular, y vectores de campo magnético.

El microprocesador que contiene –el SAMD21G18A de Atmel–, es un microcontrolador ARM de 32-bit Cortex-M0+ compatible con Arduino, que se utiliza también en los Arduino Zero y el SAMD21 de la nueva línea MKR de mini plaquetas de Arduino.

Además del par principal de circuitos integrados, la IMU Razor de 9DoF posee un zócalo para trajeta µSD, un cargador para baterías LiPo, llave de encendido y un conector de E/S para proyectos de expansión. Viene pre-programada con un firmware de ejemplo y un bootloader compatible con el IDE de Arduino, de modo que se puede modificar el firmware según las necesidades y grabarle nuevo código a través de una conexión USB.

Este artículo provee una fuente de información para comenzar, y una guía de inicio para trabajar con la IMU de SparkFun de 9DoF Razor M0. Documentaré primero las características de hardware y firmware de la plaqueta, y a continuación, mostraré cómo usar el IDE de Arduino con la biblioteca MPU-9250 de Sparkfun para Arduino para reprogramar la IMU Razor a las necesidades de nuestros proyectos.

Materiales necesarios

La IMU Razor M0 de 9DoF está provista de todo lo que se necesita para aprovechar el sensor MPU-9250 de 9DoF. Solo harán falta unos pocos elementos –la mayoría son de esos que uno ya tiene entre sus componentes– además de la plaqueta.




Se puede utilizar un cable micro-B USB para alimentar y también para reprogramar la Razor. Si usted desea tener una placa independiente para que sea móvil, va a necesitar una batería de polímero de Litio de celda única (Lithium-polymer, o LiPo), que se puede recargar conectando la Razor 9DoF en un cargador USB o en un puerto de su PC. Además, si usted necesita registrar los datos, se debe colocar una tarjetita µSD en el zócalo de la IMU Razor. Acepta µSD de cualquier tipo.

Finalmente, puede ser necesario soldar algunos conectores si se desea aprovechar las capacidades de Entrada/Salida y de alimentación de la IMU.

Lecturas sugeridas

El fabricante ha tratado de hacer que la placa sea fácil de usar independientemente del nivel de experiencia en electrónica del usuario. Sin embargo, si desea realizar una lectura previa antes de utilizar y desarrollar programas para el el 9DoF Razor IMU M0, aquí hay algunos tutoriales que ellos recomiendan (inglés):

Giroscopio
Los giroscopios miden la velocidad de rotación alrededor de un eje y son una parte esencial para determinar la orientación en el espacio.

Acelerómetro (Bases)
Una introducción rápida a los acelerómetros, cómo funcionan y por qué se utilizan.

SAMD21
Una introducción al microprocesador Atmel ATSAMD21G18 y las placas de distribución Mini y Pro R3. Mejore sus habilidades Arduino con el potente procesador ARM Cortex M0 +.

MPU-9250
Iníciese y ponga en marcha el sensor MEMS de 9 ejes MPU-9250.

El hardware

Esta placa IMU tiene montados una cantidad de componentes sobre ambas caras del circuito impreso. La imagen muestra el lado que se define como cara superior.

El reverso de la plaqueta posee diversos conectores, además del zócalo de la microSD, la llave de encendido y LEDs para indicar diversas funciones.

Esta IMU es un diseño de hardware abierto. Se puede descargar el diagrama esquemático (en PDF), los archivos Eagle (con el diseño del circuito impreso), y ver la historia del diseño en el reservorio GitHub de Sparkfun.

Alimentando la IMU Razor M0

Esta plaqueta está diseñada para trabajar tanto alimentada desde el cable USB, o con una batería LiPo en el conector adecuado. Sólo hay que asegurarse de que la batería sea de celda simple, con un voltaje nominal de 3,7V a 4,2V.

Conecte tanto el USB como una LiPo para cargar la batería


Si se conectan ambos, el USB y la batería LiPo en la plaqueta, ésta se cargará con una corriente de hasta 450 mA. El estado de la carga lo indica el led amarillo de carga, que se apaga cuando la batería queda cargada a pleno.

Corriente de carga 450mA: La corriente máxima de carga está fijada por un resistor externo y no es modificable, al menos no con facilidad. La práctica nos dice que no es seguro cargar una batería LiPo con una corriente mayor a sus mA/h, lo que significa que no se recomienta utilizar baterías LiPo con capacidades menores a 450mAh para esta plaqueta.

Sea alimentada desde la fuente de USB, o con la batería LiPo, el voltaje es regulado a 3,3 V y se utiliza para alimentar tanto el SAMD21 como el MPU-9250. El regulador tiene una capacidad de aproximadamente 600 mA, lo que significa que debería tener suficiente resto para entregar corriente. Si lo desea puede alimentar otros dispositivos desde los pines marcados con 3V3.

Los pines VIN, VBAT y GND se pueden usar para alimentar el regulador de 3,3V de la IMU Razor en lugar de utilizar las entradas USB o el conector para la LiPo (JST). El voltaje en el pin VIN no debe exceder los 6V, y el pin VBAT solo debe conectarse a una batería LiPo de una celda.

Finalmente, el interruptor de ENCENDIDO/APAGADO en la parte inferior de la placa controla la alimentación entre ambas fuentes de entrada y el resto de los componentes de la placa. Mientras está en la posición «OFF» (Apagado), la batería LiPo seguirá en carga, pero no se debe aportar energía a ningún otro componente.

Perforaciones de pines para el SAMD21 y la alimentación

La placa tiene perforaciones preparadas para soldar conectores con tantos pines de Entrada/Salida del microcontrolador SAMD21 como se pudieron acomodar en el pequeño tamaño de la IMU Razor. Eso incluye los pines 08-13, las entradas del convertidor analógico a digital A0-A4, RX, TX, y los pines I2C, SDA y SCL.

Los pines SDA y SCL están en el mismo bus I2C que el MPU-9250, pero eso no debería ser un problema siempre que los dispositivos I2C adicionales no compartan las direcciones de 7 bits de la IMU (0x68 y 0x0C).

Usted puede soldar conectores hembra como los que tienen los Arduinos UNO y Mega, o hileras de pines macho, o directamente cablear a esos puntos de soldadura para expandir las funciones de la plaqueta. Por ejemplo, usted puede conectar un sensor BME280 directamente en el puerto I2C, y agregar detección de altitud y temperatura a su IMU.

Algunos módulos de la misma marca basados en I2C utilizan la misma
distribución de 4 pines, así que se pueden conectar directamente


El puerto de depuración single-wire = SWD (de un solo cable) del SAMD21 también está perforado en la parte superior de la placa, en caso de que se quiera programar el chip con un depurador JTAG. El pinout de este puerto coincide con el estándar del conector de depuración Cortex de 10 pines. Una «muesca» blanca indica el pin 1 de este puerto.

MPU-9250 Orientación de Acelerómetro / Giroscopio / Magnetómetro

La orientación del acelerómetro, el giroscopio y los ejes X, Y y Z del magnetómetro es determinada por la posición del MPU-9250. Para facilitar la referencia, estos vectores se han documentado con una impresión en la parte superior de la placa.

Tenga en cuenta que los ejes X e Y del magnetómetro están invertidos respecto a los del acelerómetro y el giroscopio, y que el eje Z también está invertido.

Trabajando con el firmware de ejemplo

Además de un gestor de arranque de Arduino (bootloader), el IMU también tiene cargado un ejemplo de firmware que es suficiente para demostrar, al menos, que funciona el seguimiento de movimiento del sensor, e incluso hacer un pequeño registro en una tarjeta µSD. Para comenzar a usar el firmware de ejemplo, simplemente conecte la IMU a una computadora.

Después de conectar la placa, debe aparecer como un puerto serie. En Windows, aparece como COMx y en Mac, debería verse como /dev/tty.usbserial-ABCD12.

Instalación del controlador

Usuarios de Windows 10: la primera vez que conecte el IMU Razor a su computadora, es posible que deba instalar controladores para habilitar el perfil USB de la clase de dispositivo de comunicación (CDC) de la placa.
Si su placa no aparece como un puerto COM, haga clic en el botón de abajo para descargar los controladores.

DESCARGAR DRIVERS DE WINDOWS PARA SAMD21

Para obtener ayuda para instalar los controladores, consulte las instrucciones del fabricante en la guía de conexión de Breakout SAMD21.

Después de ubicar el puerto de la placa, abra el Terminal Serie y establezca la velocidad en baudios a 115200 bps. El Monitor Serie del Arduino funciona bien para este propósito, o puede descargar alguno diferente desde aquí: programas de terminal.

Al abrir el puerto, el IMU Razor 9DoF debe comenzar inmediatamente a enviar las lecturas del acelerómetro, el giroscopio y el magnetómetro.

El formato estándar de la línea de texto es:

<timeMS>, <accelX>, <accelY>, <accelZ>, <gyroX>, <gyroY>, <gyroZ>, <magX>, <magY>, <magZ>

Esta línea se puede modificar enviando cualquiera de los siguientes comandos:

  • ESPACIADOR – Pausa/reinicio de impresión de puerto serie
  • t – Habilitar/deshabilitar las lecturas de tiempo
  • a – Habilitar/deshabilitar las lecturas del acelerómetro
  • g – Habilitar/deshabilitar las lecturas del giróscopo
  • m – Habilitar/deshabilitar las lecturas del magnetómetro
  • c – Alternar entre valores calculados o sin procesar de las lecturas
  • q – Habilitar/deshabilitar lecturas cuaternianas (qw, qx, qy y qz se muestran luego de las lecturas magnéticas)
  • e – Habilitar/deshabilitar cálculos Euler de ángulo (pitch, roll, yaw) (se muestran luego del procesamiento cuaterniano)
  • h – Habilitar/deshabililar las lecturas de encabezado
  • r – Ajustar el ritmo de registro en incrementos de 10Hz entre 1-100Hz (1, 10, 20, … 100)
  • A – Ajustar el rango de escala máxima del acelerómetro. Cicla entre ± 2, 4, 8, and 16 g.
  • G – Ajustar el rango de escala máxima del giroscopio. Cicla entre ± 250, 500, 1000, 2000 dps.
  • s – Habilitar/deshabililar el registro en tarjeta SD

Todas las configuraciones se almacenan en una memoria no volátil, por lo que al iniciar su IMU Razor 9DoF deberá tener la misma información con que la configuró anteriormente.

Además de iniciar sesión en su puerto serie, el firmware también está diseñado para registrar los datos en una tarjeta µSD, si hay una presente. Coloque una y debería tener los archivos de registro de IMU la próxima vez que conecte la tarjeta SD a su lector.

El firmware del 9DoF Razor IMU está disponible en el repositorio GitHub del producto. Para cargar el firmware, necesitará las definiciones de la placa SparkFun SAMD21 y la biblioteca SparkFun MPU-9250 DMP Arduino instalada en su máquina. Que es exactamente lo que vamos a documentar a continuación…

El IMU Razor 9DoF M0 está diseñado en base al SAMD21, el mismo procesador del Arduino Zero, lo que significa que agregar el soporte de Arduino para la placa está a solo unos clics. Esta sección describe los pasos que deberá seguir para instalar los núcleos SAMD en su biblioteca Arduino (eso suena más atemorizante de lo que realmente es).

¡Actualizar Arduino! Esta configuración requiere al menos la versión 1.6.4 o posterior e Arduino. Lo he probado en 1.8.8 y recomendaría esa versión del IDE o superior. Si está ejecutando una versión anterior de Arduino, visite arduino.cc para obtener la última y mejor versión.

Instale las placas de Arduino SAMD

Primero, deberá instalar una variedad de herramientas, que incluyen bibliotecas ARM Cortex de bajo nivel llenas de código genérico, arm-gcc para compilar su código y bossa para cargar código a través del bootloader. Estas herramientas vienen empaquetadas junto con las definiciones de la placa SAMD de Arduino para el Arduino Zero.

Para instalar las definiciones de la placa Arduino SAMD, vaya a su administrador de la placa ( Herramientas > Placa > Gestor de tarjetas … ), luego busque una entrada “Arduino SAMD Boards (32-bits ARM Cortex-M0+)”. Selecciónela e instale la última versión (actualizada recientemente a 1.6.20).

La descarga e instalación de las herramientas puede demorar un par de minutos; en particular, arm-gcc llevará más tiempo, se trata de 250 MB sin comprimir.

Una vez instalado, el texto azul «INSTALLED» debe aparecer dentro de la entrada de la lista de placas SAMD.

Instalar la definición de la placa SparkFun

Ahora que sus herramientas ARM están instaladas, se requiere un último paso de configuración para agregar soporte para las placas SparkFun SAMD. Primero, abra sus preferencias de Arduino ( Archivo > Preferencias ). A continuación, busque el cuadro de texto Gestor de URLs adicionales de Tarjetas y pegue allí el siguiente enlace:

https://raw.githubusercontent.com/sparkfun/Arduino_Boards/master/IDE_Board_Manager/package_spark fun_index.json

Luego presione «OK«, y regrese al menú del Gestor de tarjetas. Debería encontrar una nueva entrada para las placas SAMD de SparkFun.

Esta instalación debería ser mucho más rápida; el trabajo pesado fue realizado en la sección anterior.

Seleccione la placa y el puerto serie

Una vez que se haya instalado la placa, debería ver algunas entradas nuevas en la lista Herramientas > Placa, incluida la Razor IMU M0 de SparkFun 9Do, en el menú «Placas SparkFun SAMD (ARM Cortex-M0 +) de 32 bits». Y finalmente, seleccione el puerto del IMI 9DoF Razor yendo al menú Herramientas > Puerto.

La plaqueta ya funcionará con el programa de ejemplo. En un próximo artículo cargaremos este programa de ejemplo, para comprobar el funcionamiento del bootloader, y podremos comenzar a realizar pruebas, cambiando el programa a gusto y escribir nuevos programas a medida de nuestro propio proyecto de detección de movimientos.

[ Continúa en la parte 2 ]