Sensores - Introducción:

Existe una gran variedad de sensores en el mercado de los cuales puedes disponer, claro que antes habría que clasificarlos y aquí lo haremos brevemente...

Veamos... Los sensores pueden ser de dos tipos, analógicos y digitales.

Veamos primero la diferencia entre ellos...???

Sensores Analógicos y Digitales

Los sensores digitales son aquellos que frente a un estímulo pueden cambiar de estado ya sea de cero a uno o de uno a cero (hablando en términos de lógica digital) en este caso no existen estados intermedios y los valores de tensión que se obtienen son únicamente dos, 5V y 0V (o valores muy próximos)

Ahora bien, como los sensores comúnmente serán utilizados con circuitos lógicos, y más si se trata de robótica en cuyo caso posiblemente incluyas un microcontrolador, habrá que ver cómo trabajar con los sensores analógicos. Por suerte existen Circuitos integrados llamados Conversores Analógico/Digital (Conversores A/D) que transforman la señal analógica en señal digital, y por supuesto también están los Conversores D/A, pero analicemos los primeros...

Conversores A/D (Analógico/Digital)

Aclaremos algo, esto no es una lección de conversores de este tipo, es sólo para que tengas una idea de ellos a grandes rasgos Ok.?, Sigamos... Los conversores Analógico/Digital los puedes seleccionar entre otras cosas, de acuerdo a la cantidad de bits de salida, por ejemplo...

Un Conversor A/D de 3 bits dispone de una entrada analógica y 3 terminales de salida Digitales, es decir que combinando las salidas puede tomar 8 posibles valores binarios según el nivel de tensión en su entrada. por aquello de 2ⁿ es decir que tendrás valores entre 000 y 111, veamos cómo se corresponden estos valores con los niveles de tensión.

Te preguntarás... ¿qué pasó con los 5V?, bueno, es que el conversor necesita un nivel de tensión para utilizarlo como referencia y en este caso utilicé los 5V, también podría ser 0V, o mejor aún ambos.

Aquí puedes ver una imagen representativa de un Conversor A/D, en ella se indican en la salida dos términos muy utilizados MSB y LSB...

MSB es el valor binario más significativo y LSB es el menos significativo (en nuestro ejemplo, 111 y 000 respectivamente)

Lo visto hasta el momento te puede servir si en caso deseas decodificar una señal analógica y utilizarla como si fuera digital, por ejemplo en el caso de una fotocelda, esta varía su resistencia según la iluminación que recibe, por lo tanto es un sensor de tipo analógico. un pulsador tiene dos estados, activado o no, por lo tanto es de tipo digital.

Bueno, espero lo hayas comprendido...!!!

Aparte de aquello de los Conversores A/D, tienes la posibilidad de ingeniártelas para que una señal analógica tome dos estados y así solucionar tu problema, por ejemplo con una compuerta Schmitt Trigger (el CD40106 muy recomendado...!!!), las compuertas de este tipo tienen la ventaja de cambiar el estado de su salida en un determinado umbral de tensión de entrada, razón por la cual son muy utilizados para esta tarea, pero ya lo irás viendo en la descripción de cada tipo de sensor...

Creo que sería bueno que veas algunos temas que se pueden relacionar o aplicar a los sensores, consulta en la sección de "Probando Circuitos Integrados" que hay algunos muy interesantes como el CD4013. Por ahora sólo un par de ellos luego iré agregando el resto.

Bueno, aquí te dejo un par de sensores, su descripción y uno que otro circuito de prueba, repito... DE PRUEBA.

Fotoceldas, Fotorresistencias o LDR's

La LRD es quizás una de las más utilizadas en los sistemas sensores para robótica compiten a gran escala con los fototransistores.

Para comenzar debes saber que las LDR's son resistores que varían su valor de acuerdo a la intensidad de la luz, razón por la cual se trata de un sensor analógico, es decir que siempre toma valores distintos, no podrías tomar un valor lógico 1 o 0 como en lógica digital, pero nos la podemos arreglar con un par de trucos.

La fotocelda en total oscuridad puede llegar a tomar valores de 1M ...si no es más, y a plena iluminación a unos pocos k's o quizás menos. Lo que se puede hacer, es un arreglo entre la fotocelda al polo (-) y una resistencia fija al polo (+), de esa manera el punto de unión entre estos dos componentes podrá tomar dos valores según la variación de la LDR, señal que se puede utilizar como salida del sensor, este tipo de circuitos es conocido como divisor de tensión...

El tema es que la señal aún sigue siendo analógica, y para convertirla en señal digital podríamos utilizar un disparador Schmitt como el CD40106 que tiene 6 disparadores inversores en su interior, y nos quedaría averiguar las características de la fotocelda y la tensión de disparo del Schmitt y así seleccionar el nivel de tensión al que quieres trabajar, lo cual podrías hacerlo con un potenciómetro en lugar de la resistencia de 10k.

Con el potenciómetro P1 puedes seleccionar la sensibilidad a tu gusto, bueno, con alguna que otra limitación. Si deseas realizar los cálculos para averiguar la tensión en el punto medio, lo puedes hacer del siguiente modo...

V = LDR * (Vcc/(LDR+R1))

y así sabrás el nivel de tensión en distintas situaciones.

Esta no es la única forma, también puede darse el caso opuesto, observa...

Todo depende de la forma en que deseas trabajar, en el caso anterior la señal lógica obtenida a plena iluminación es "0", mientras que en esta última es "1".

Ahora bien, Teniendo un poco de conocimiento de compuertas lógicas también puedes adoptar este circuito...

La lógica de funcionamiento es "1" a plena iluminación, aunque la puedes regular con R2.

Existe otra posibilidad aún más interesante y recomendada, se trata de utilizar un amplificador operacional con la intención de no afectar al divisor de tensión...

Aquí el AO. se conectó como seguidor de tensión, observa la realimentación negativa, esta conexión es conocido como configuración buffer, es decir, amplificamos un poco la señal para evitar pérdidas y así no obtener resultados inesperados, respecto al operacional utilizado bien puede ser el 741, el LM833 que es un doble operacional, o el LM324 que posee 4 operacionales en su interior, hay muchos de los cuales puedes elegir.

Todavía hay más, y es que puedes usar un transistor en corte y saturación para activar un relé por ejemplo, veamos eso...

En este caso, la salida del divisor de tensión está en el cursor del potenciómetro, al iluminar la fotocelda se alimenta la base del transistor y este pasa a plena saturación. La sensibilidad del circuito se ajusta con P1. Respecto al modo de configuración de transistores para que trabajen en modo corte y saturación puedes consultar la siguiente sección... Transistores en E. Digital

No viene mal un ejemplo más, observa este circuito...

En este esquema puedes ver los transistores en Darlington, es con la idea de aumentar la ganancia del circuito y obtener un corte más profundo en el divisor de tensión, el tema es que con este último circuito el relé se mantiene inactivo siempre que haya iluminación en la LDR, y cuando esta iluminación se interrumpe se acciona el relé.

Bueno, espero te haya sido de utilidad...

Sensores Infrarrojos.

De los tipos de sensores que más llaman la atención, se destacan los sensores de luz, y entre ellos los conocidos Infrarrojos, y a ellos le dedicaremos este artículo...

Para hacer una breve descripción de lo que es una radiación infrarroja, imagínate la luz del sol, pues esta contiene todas las bandas de colores con las cuales se compone la luz blanca (conocido como espectro de emisión de luz), ahora, en los extremos del espectro se encuentra la radiación infrarroja (IR) y la ultravioleta (UV), ambas son imposibles de ver, es decir son invisibles, pero están presentes y nosotros las vamos a poner en evidencia...

En microbótica tanto como en robótica, se hace uso de este tipo de emisión de luz (en especial la infrarroja) con la intención de detectar obstáculos sin que uno de nuestros modelos tome contacto físico con el mismo. En algunos casos una vez establecida la comunicación entre emisor y receptor, es posible realizar una transmisión de datos, sino imagínate... como hago para aumentar el volumen de mi TV, cambiar de canal, aumentar el brillo, quitarle el color..., etc., etc., y todo con un sólo emisor de IR...???

Pero bueno, sólo les mostraré lo básico, y cuando aprenda más les comentaré al respecto.

Existen encapsulados que traen incorporado en su interior tanto al emisor como receptor, de todos ellos, el más conocido es el CNY70, que cuenta con 4 pines, dos para el Diodo IR y dos para el fotoTransistor...

Pero, nosotros podemos conseguir algunos, en especial de las disqueteras viejas, en donde te encontrarás con algunos de estos tipos...

Para estos dispositivos podrías usar el siguiente circuito, que da buenos resultados, en la salida puedes agregarle un LED con su respectiva resistencia de 220R o 150R...

Vamos por otros, que hay más, pensaba comenzar con algún emisor de IR, pero antes necesitas un receptor, como emisor (en nuestras primeras pruebas) puedes utilizar el control de tu TV, pero no te preocupes que luego haremos el nuestro, jejejeje...

Los materiales que necesitaremos son muy fáciles de conseguir, busca un viejo mouse, el Control Remoto de tu TV, un integrado CD40106 y ya podemos comenzar...

Al desmontar tu mouse, te encontrarás con 4 diodos IR y 4 fotodiodos, aunque en algunos te darás con 2 fototransistores (por lo general son negros) y sólo 2 IR, como los de la imagen... que más, un par de microswitchs, y una que otra cosita más, pero que ya no son de mucha importancia.

Ahora bien, cual es cual...???, en mi caso (de la segunda imagen) los que tienen una marca rosada son los fotodiodos, y los que tienen una marca negra los emisores IR, y en la primer foto, los blancos son los IR's y los negros los fototransistores.

Ok... Ahora nos toca desmontarlos con mucho cuidado, para no dañarlos... En la siguiente imagen, tienes los receptores de IR, nota que agregué uno más, el del medio, lo saqué de un viejo video-juego, y los que están de ambos lados son de los mouse's anteriores, notarás que el fototransistor negro tiene 3 terminales, de ellos, el de en medio es el emisor y los otros dos son los colectores del fototransistor, en realidad son dos fototransistores encapsulados en uno sólo con el emisor común, en otro tutorial veremos que uso le podemos dar, y hablaremos más de él...

Antes de que empieces a preguntar, también tomé una imagen de los LED's emisores de IR, para que luego no tengamos problemas al hacer nuestros experimentos, bien, los dos pequeñines son de los Mouse's y el otro, lo conseguí de una casa de electrónica, que más, no podía ser de otra forma...

Ahora que ya disponemos de todos los materiales, podemos comenzar con nuestro primer circuito de prueba, que es el de un simple receptor, aquí tienes el esquema del circuito...

Este circuito te debe parecer familiar, y es que sí, lo vimos con los LDR, y no difiere mucho de los que ya conocemos, bien, este es el receptor, y para saber si realmente recibe la señal le colocaremos un LED, y enviaremos la señal con el Control del TV, así...

Creo que estamos yendo por buen camino, ya sabemos que realmente nuestro circuito funciona, pero hay algo muy curioso, resulta que en la prueba que acabamos de hacer, nuestro LED parpadea...

Lo que ocurre es que los controles emiten una señal codificada, y eso es lo que estamos viendo, es más la emisión debe tener una frecuencia aproximada a los 38 kHz (KiloHertz, es decir 38000 pulsos por segundo) que es la frecuencia que deben detectar la mayoría de los receptores o fotodiodos, como no voy a entrar en cálculos, les mostraré algunos de los circuitos que emiten esta frecuencia y que me dieron buenos resultados con estos diodos IR de los mouse's. Vamos por el primero...

El NE555 y los Sensores IR.

Diiiiiiiicen, que entre los emisores, el mejor de todos es el que utiliza un circuito integrado NE555, y el que nunca me falló hasta ahora, es éste...

Observa que los pines 5 y 7 del integrado quedan libres. El interruptor que se encuentra en el circuito cumple la función de activarlo o desactivarlo. El preset o potenciómetro, permite regular la frecuencia de trabajo en un rango de 36 a 40 kHz (dependiendo del receptor utilizado). Reduciendo el valor de R3 puedes aumentar la intensidad de emisión y así su alcance. El transistor Q1 puede ser un 2N2222 o 2N2219, éste amplifica la corriente para el LED IR, y nos permitirá por ejemplo, utilizar otro LED más...

Luego de tantas pruebas, finalmente monté el circuito en una pequeña placa de 2,7cm x 5cm, aquí dupliqué IR y la resistencia R2 del circuito anterior, lo hice para conectar 2 Diodos IR, ya que creo que en otro momento me hará falta, y funciona...!!!

Ahora vamos a ver como se encienden estos IR, primero decirte que es imposible notarlos a simple vista, pero con la ayuda de una cámara digital verás que tiene un color violeta-lila-medio_blanco o bueno, algo así, mejor míralo...

ir EncendidoIR Apagado

Ya estamos listos para hacer la prueba Emisor/Receptor y utilizaremos ambos circuitos montados en una placa de pruebas, y de paso vemos la distancia que alcanza...

A esto queríamos llegar, ya estarás viendo las aplicaciones que le podrás dar. Pero como no podía quedarme con esto, fui por más, pero esta vez lo haría con compuertas lógicas...

El CD4011.

Este integrado contiene 4 operadores NAND en su interior, de los cuales dos serán utilizados para hacer un multivibrador que cumpla con las características indicadas, el esquema del circuito es el que sigue...

Se debe establecer un pequeño filtro en la fuente de alimentación de todo el circuito, es por eso que se agregó un capacitor de 0.1uf. Puedes disminuir el valor de R4 para darle mayor intensidad al IR. Igual que antes, con R2 puedes regular la frecuencia del circuito.

Ahora bien, ya habíamos visto algo de estos multivibradores en el tutorial de electrónica digital, de hecho, unir las entradas de estos operadores, me hace recordar que también podría hacerlo con simples inversores, o mejor aún, con compuertas tipo Schmith Trigger...

El CD40106.

Este Integrado posee 6 compuertas inversoras, del tipo Schmith Trigger, de las cuales utilizaremos sólo 2, y montaremos un circuito similar al anterior, es más el circuito es el mismo, sólo cambian los operadores utilizados, observa...

Si bien los mouse's traen sus emisores infrarrojos, es de suponer que alcanzan la frecuencia indicada, pero para mayor sorpresa, es que traen en su circuito, un Cristal de Cuarzo cilíndrico que suele ser de 4 Khz, como el de la siguiente imagen, y si recapitulamos los multivibradores con compuertas lógicas y Cristales de Cuarzo... llegaremos al siguiente circuito...

Que también, obviamente, funciona perfecto. Aquí, los capacitores que van al cristal son de 27 pf y en la práctica, utilicé un preset (resistencia variable) de 2,2M.

En todos los casos, es bueno hacer estas prácticas utilizando en la salida de los osciladores un transistor como el 2N2222, que es un transistor de batalla, el circuito para este transistor y el IR lo puedes ver en la siguiente imagen...

Bueno, llegamos al final, sólo decirte que todos estos circuitos dieron buenos resultados, al menos a mí, espero sea de utilidad, y de ayuda para que armes un circuito mucho más interesante que simples emisores, te imaginas... podrías armarte de una placa detectora de obstáculos, que sea pequeña, sencilla de montar, y que sirva para cualquier propósito, como para hacer un seguidor de líneas o algo así...???, estaría bueno no crees...???

Switchs o Interruptores y Microswitchs o Bumpers

Aunque parezca mentira, los Switchs son muy utilizados como dispositivos sensores, por ejemplo, si deseas que un modelo realice una determinada acción cuando choque con algún obstáculo recurres a ellos, al margen del tipo de interruptor que quieras utilizar, el circuito básico será siempre el mismo, UN DIVISOR DE TENSIÓN...

A pesar de que los interruptores son sensores de tipo lógico (por trabajar con niveles 0 y 1) es mejor acondicionar los niveles de tensión para ellos, es por eso que incluí el CD40106. Debo aclarar que el circuito anterior presenta un pequeño inconveniente, y es que al activarse se pueden producir rebotes eléctricos, es decir, cuando crees haber enviado un 1 lógico en realidad enviaste varios, es como si se los hubiera presionado varias veces, pero calma...!!! Que todo tiene solución...

Agregándole un pequeño capacitor, como los de 0.1uf puedes evitar esos rebotes. Claro que según el tipo de señal que tu modelo necesite, ya sea 0 o 1 te servirá el circuito anterior o este...

En fin, el tema es que hay muchos modelos de este interruptor, pero los más utilizados en microbótica son los Bumpers, ya sean comerciales o qué más da, los tuyos propios y originales :o))

Veamos algunos ejemplos...

Creo que fue suficiente, Luego los aplicaremos a algún modelo específico, esto sólo fue para que tuvieras una idea. Los dos primeros son comerciales, y los dos de abajo son arreglos para implementarlos como sensores tipo bigote de gato. Me pareció bueno incluirlo así que, ahí está...

Saludos...!!!

y nos veremos en la próxima

R-Luis...