Este es el segundo artículo de una serie en que enseñamos a nuestros lectores lo que es un microcontrolador y que proporciona información básica para aquellos que deseen utilizar este componente en sus proyectos. La serie es ideal para los que tienen conocimientos básicos de la electrónica, pero no saben nada acerca de los microcontroladores. Se trata de una serie ideal para los estudiantes, los makers y aficionados.
Los circuitos externos
El circuito integrado que consta de un microcontrolador no puede hacerlo todo solo. Incluso montado en una placa las características básicas como la alimentación, y algunos de los componentes de soporte básico todavía, el microcontrolador no puede hacerlo todo solo.
Para ser utilizado en aplicaciones prácticas allí son dos posibilidades.
La primera es que el proyecto de aplicación en la que tenemos programado el chip en una placa externa, como se muestra en la figura 1 y luego lo ponemos en la placa final que tiene el apoyo que necesita.
De esta manera, tenemos un producto final que es un microcontrolador que se utiliza en una aplicación.
La segunda es usar una placa básica que contiene el microcontrolador y la base de apoyo y conectar en sus salidas los circuitos adicionales que proporcionan las señales de control y también están vinculados los circuitos controlados, es decir, los shields, como se muestra en la figura 2.
Esta segunda manera de usar un microcontrolador es interesante para los creadores de circuitos (shields) o de los desarrolladores, para aplicaciones didácticas y experimentales como en el caso de los STEMers.
Las placas que contienen los circuitos que proporcionan señales al microcontrolador (sensores, receptores, etc.) se llaman shields. Las placas que contiene un solo componente, se llaman breakout boards.
Se tratará de ellos en el siguiente capítulo.
Analizando las características
Para utilizar correctamente un micro controlador, debe estar familiarizado con las principales características para verificar que su proyecto o aplicación se casan.
Si se parte de una idea de aplicación, deben buscar entre los tipos disponibles que tienen las características que necesita.
Si es posible trabajar con diferentes tipos de microcontroladores, es más fácil confiar en una sola familia a sus proyectos, porque no sólo se conoce mejor las características como el mismo lenguaje de programación.
Lo que necesitamos saber de un microcontrolador para utilizarlo correctamente.
a) Tensión de alimentación
La mayoría de microcontroladores funciona con voltajes de 3.3 V o 5 V. En placas que incluyen una fuente de alimentación, un regulador de tensión es incluido, por lo que la entrada podemos tener una gama de tensiones más grandes.
Por ejemplo, el Arduino tiene un regulador interno que significa que puede ser alimentado por tensiones de 6 a 20 v. En la práctica se recomienda que no sea menos 7 V y esa máxima es de 9 V.
Cuanto mayor sea la diferencia entre el voltaje de entrada y la salida de 5 V, mayor será el calor generado cuando está en funcionamiento.
Las baterías o fuentes pequeñas se pueden utilizar con corrientes en el rango de 250 mA a 1 A. en la figura 3 ejemplo de fuente para el microcontrolador de Arduino.
Algunos microcontroladores, como el Arduino, tienen salidas de 3,3 V.
(b) Consumo
El consumo depende también de ser controlado por el microcontrolador.
Teniendo en cuenta sólo el microcontrolador las cadenas pueden variar entre unos pocos miliampères para el consumo bajo hasta unas cuantas decenas de miliampères.
Debe agregar la corriente de las cargas controladas cuando se dimensionar la fuente.
De todos modos, tanto voltaje como por consumo siempre debe consultar hojas de datos (datasheet) del microcontrolador utilizado.
c) Velocidad de procesamiento y potencia de procesamiento
La velocidad de procesamiento de microcontroladores depende del tipo es generalmente puede ser evaluada por la frecuencia del clock.
Sin embargo, debemos estar atentos al hecho de que la frecuencia del clock no indica exactamente cuántas operaciones un microcontrolador hace por segundo, porque hay operaciones (instrucciones) que requieren más de un ciclo de clock para llevarse a cabo.
Por ejemplo, para hacer una suma del microcontrolador necesita para cargar los números para ser agregados en dos ciclos y luego hacer la suma en la tercera, tenemos una operación que hace uso de 3 ciclos de clock.
Otra forma de especificar la velocidad está en MIPS (Mega instrucciones por segundo) o millones de instrucciones por segundo.
Para aplicaciones simples de la robótica, la velocidad no es importante.
Más importante cuando el proyecto requiere más que un microcontrolador es su poder de procesamiento dado por el número de Bits de rendimiento.
Así, pueden ser los microcontroladores de 8 bits, 16 bits y 32 bits.
La cantidad de bits determina la complejidad de las instrucciones que él realiza.
d) Las señales de entrada
Los microcontroladores, como hemos visto tiene una entrada de clavijas para la conexión de dispositivos de control como las llaves, sensores y circuitos que pueden brindar información para ser procesada.
En el caso de los pines de entrada analógicos es generalmente el límite de la tensión de alimentación, es decir, pueden recibir voltajes de 0 a 5 V, que son internamente convertidos a formato digital y luego procesados.
Un microcontrolador como el Arduino Uno tiene 6 entradas analógicas.
Para las entradas digitales se suelen utilizar los mismos pinos de salida, es decir, I/O (Input/Output) y puede llegar a 14 como en el caso de Arduino.
Estos pinos pueden recibir señales digitales TTL o CMOS con voltaje de 5 V.
Algunos de estos pinos tienen la capacidad de trabajar con señales PWM y su cantidad varía, dependiendo del tipo de microcontrolador.
e) Señales de salida
Para la salida tenemos pinos que pueden ofrecer las corrientes dependientes del voltaje. Así que para 5 V la corriente máxima puede alcanzar los 20 mA, como en el caso de Arduino.
Por lo tanto, el microcontrolador no puede controlar cualquier cosa que requiera una corriente más alta sin el uso de un circuito externo adicional, es decir, un Shield.
Para microcontroladores que tienen salidas de 3.3 V la corriente puede llegar a 50 mA, como en el caso de Arduino.
Para estos microcontroladores hay pinos que están disponibles las señales de 3,3 V
También podemos encontrar tipos donde hay salidas analógicas que pueden ser programadas con los voltajes disponibles. Todo depende del tipo y de las datasheets a ser consultadas.
De todos modos, antes de conectar cualquier carga a una salida del microcontrolador, debe consultar su ficha técnica para conocer sus límites.
f) Memoria
En la mayoría de las aplicaciones simple, los programas que se utilizan con los microcontroladores son pequeños. Sin embargo, siempre es importante saber cuál es la capacidad de memoria de los microcontroladores usado.
Esta cantidad se les da a los tres tipos de memoria que las características del microcontrolador: SRAM, Flash y EEPROM.
Para los tipos comunes de la memoria 32 kB de Flash (donde está el programa a ejecutarse) es un valor aceptable.
g) Recursos adicionales
Hoy, el diseñador de dispositivos usando microcontroladores puede contar con una amplia variedad de tipos que van desde los más simples con funciones básicas, incluso sofisticadas versiones como muchas características adicionales para aplicaciones específicas.
Un recurso que puede ser importante en aplicaciones con batería es tomar el microcontrolador a un estado de bajo consumo (wait ou iddle) cuando llega a inactivo.
La corriente consumida puede caer a los pocos microampères que, en caso de alimentación por batería, significa una gran durabilidad.
Otras características incluyen la colocación de displays en las placas para generar valores numéricos o incluso frases en aplicaciones específicas, como la generación de mensajes, como se muestra en la figura 4.
Puedes encontrar tipos especiales con comunicación por placas de radio (Wi-Fi, Bluetooth) inalámbricos con los teléfonos celulares, internet, etcétera.
Estas características son importantes cuando la placa se utiliza en el desarrollo de aplicaciones inalámbricas.
Algunas placas didácticas contienen una extensión que consiste en una región con puntos aislados de cobreamento formando una tarjeta universal que pueden ser montados circuitos de control externos o que deben ser controlados, sin shields.
En la figura abajo tenemos una placa como eso.
Otro recurso importante que debe ser analizado en un proyecto es la interrupción. Hay clavijas que permiten a la aplicación de señal externa interrumpa la ejecución de un programa.
Juntas de desarrollo, el aprendizaje y la evaluación
Una característica muy interesante que los lectores que deseen trabajar con microcontroladores pueden decir son placas diseñadas específicamente para hacer determinado trabajo con microcontroladores.
El primer grupo de placas está formado por el aprendizaje tableros o kits de arranque (kits de inicialización) que consisten en sistemas vendidos por las empresas líderes en el que tiene un microcontrolador particular con la fuente de alimentación y un conjunto de componentes para el montaje de ciertas aplicaciones, como se muestra en la figura 6.
Se incluye en este conjunto un libro de aprendizaje y el acceso al programa se utiliza con el cable de conexión al ordenador.
Son ideales para aquellos que quieren aprender a usar un determinado tipo de microcontrolador y hacer diseños básicos con ellos. En algunos casos, una serie de contactos en el kit para conectar el circuito desarrollado por microcontrolador.
Un segundo grupo tenemos las placas de evaluación (evaluation boards) que es ya una aplicación programada y un circuito de prueba que eventualmente puede ser modificado.
Esta tarjeta permite al desarrollador tener preparado una aplicación para un microcontrolador y posiblemente realizar cambios en la aplicación que desea. En la figura 7 es un ejemplo.
Por último, tenemos la placa de desarrollo (development Boards) que son las placas que contiene un microcontrolador y regiones específicas para el desarrollo de proyectos de una categoría determinada.
Normalmente estas placas son acompañadas por manuales y acceso a internet a la programación. En la figura 20 una placa de desarrollo típico.
Al consultar con proveedores, como la Mouser Electronics (www.mouser.com) el lector encontrará una gran cantidad de tipos de placas de todo tipo, para todas las familias disponibles de microcontroladores.
Siempre será importante para el estudio de la aplicación antes de que, a través de las características deseadas, puede adquirirse la placa específica