Automatismes i robòtica

Automàtica i robòtica
Els automatismes i els robots semblen objectes molt complicats, però pràcticament a diari tots fem servir algun tipus d'automatisme, a casa, al carrer, a l'escola, en el cotxe, a les fabriques, en els mitjans de transport, etc. A tots aquests llocs hi ha elements automàtics.
Les màquines automàtiques i els automatismes en general ajuden a realitzar feines o processos amb la mínima intervenció humana.

Aplicacions dels automatismes


A la indústria la necessitat d'augmentar les produccions ha donat lloc a la invenció de maquines que realitzin el màxim d'operacions de forma automàtica, reduint al mínim la intervenció dels operaris.

A les llars l'augment de la qualitat de vida a estès els automatismes a les cases

Als sistemes de transport els automatismes han contribuït a un augment de la seguretat i del rendiment.

Evolució dels automatismes:

Els automatismes utilitzen diferents tecnologies i han evolucionat molt i en poc temps.

Sistemes mecànics, complicats i difícils de modificar o ajustar.
Sistemes elèctrics i electromagnètics més fiables i fàcils d'implementar.
Sistemes electrònics gran reducció d'espai, augment considerable de la fiabilitat.
Sistemes programables basats en la informàtica són molt fiables, flexibles, econòmics, van des de sistemes molt simples amb autòmates programables a sistemes molt complexos controlats per ordinador.
En el camp dels automatismes, moltes vegades els sistemes nous no han desplaçat totalment els sistemes anteriors i per tant podem trobar automatismes que combinen totes les tecnologies exposades.

Els robots són màquines molt flexibles capaces de realitzar funcions molt diferents tant sols canviant el programa que executen.

Sistemes mecànics

Les màquines per fer les seves tasques fan servir elements mecànics: rodes, engranatges, politges, palanques, lleves, etc.
Amb la combinació de mecanismes les màquines desplacen o subjecten carregues, mecanitzen peces, omplen envasos, etc.
Algunes funcions es fan només amb elements mecànics: lleves, engranatges, excèntriques, etc. Són els automatismes mecànics.
Aquest mecanismes moltes vegades utilitzen com a fon d'energia l'electricitat.

Sistemes elèctric i electromagnètics

Els encarregats de moure les màquines en moltes ocasions són els motors elèctrics.
Per altra banda molts automatismes utilitzen electroimants per accionar elements mecànics.
Els motors poden ser :
de CA corrent altern monofàsic o trifàsics molt utilitzats moure maquines o mecanismes grans.
De CC corrent continu, van des de petits motorets d'1 volt fins a potents motors capaços de moure un tren.
Propietats: fàcil regulació de velocitat i canvi de sentit de gir.
Motors pas a pas, són motors controlats per impulsos elèctrics, de manera que a cada impuls giren un nombre determinat de graus, els impulsos de control són generats per un circuit electrònic. Són utilitzats en màquines de precisió com màquines de control numèric, impressores i ploters.

Sistemes hidràulics i pneumàtics

Són sistemes que utilitzen fluids per transmetre força o energia.

Sistemes hidràulics basats en l'ús de líquids
Sistemes pneumàtics basats en l'ús d'aire comprimit

Amb els sistemes hidràulics i pneumàtics es possible realitzar grans esforços amb uns sistemes relativament simples.

El principi de funcionament consisteix en introduir un fluid a l'interior d'un cilindre que disposa d'un èmbol mòbil a seu interior, al introduir el fluid a l'interior del cilindre, l'èmbol, que du acoblada una tija, es desplaça transmeten la força.

Què és un fluid?

Els fluids són substàncies en estat líquid o gasos.
Els fluids utilitzats en la indústria són: aigua, olis minerals, vapor d'aigua i aire comprimit.
Propietats dels fluids
Mobilitat, s'adapten a la forma del recipient.
Viscositat resistència a fluir o canviar de forma (líquids)
Incompressibilitat, els líquids no es poden comprimir.
Expansibilitat, propietat dels gasos que fa que ocupin tot l'espai del recipient.
Isotropia les propietats dels líquids no varien en funció de la direcció.

La hidràulica

Els sistemes hidràulics es basen en el principi de Pascal segons el qual la pressió exercida en un punt d'un líquid que omple totalment un recipient es transmet instantàniament en totes direccions.

Paràmetres de mesura dels sistemes hidràulics

Cabal és el volum de fluid que passa en un temps determinat per la secció d'un conducte.

C = V / t es mesura en m3/ s.

Pressió és la força que s'aplica per unitat de superfície

P = F / s es mesura en Pa (Pascal) 1 Pa = 1N / 1m2

Elements d'un sistema hidràulic

Cilindres
Els cilindres tenen al seu interior un èmbol o pistó unit a una tija, quan l'oli entra per un costat del cilindre el pistó es desplaça en sentit contrari.
Els cilindres poden ser de simple efecte només tenen una entrada d'oli i el retorn es per molla. Només poden realitzar treball en un sentit.
Cilindre de doble efecte l'oli pot entrar pels dos extrems, permet realitzar treball en els dos sentits de desplaçament de l'èmbol.

Canonades
Són les encarregades de transportar el fluid. Poden ser rígides o flexibles

Vàlvules
Són les encarregades de controlar el pas del fluid i per tant el moviment dels pistons.

Bomba hidràulica
És l'encarregada de bombejar el líquid des del dipòsit a l'interior dels cilindres.
Propietats
Poden transmetre esforços molt importants.
Moviments molt precisos, regulars i suaus

Aplicacions dels sistemes hidràulics

A la indústria: premses, injectadores, laminadores, etc.
Obres publiques i construcció: excavadores, camions, elevadors, etc.
Màquines per mineria, agricultura,
nàutica i aeronàutica
sistemes de fre de màquines i vehicles

Pneumàtica

Els sistemes pneumàtics o d'aire comprimit utilitzen aire a pressió per transmetre la força.

Elements d'un sistema pneumàtic.

Cilindres de simple i doble efecte.
Canonades
Vàlvules
Compressor
El compressor és l'encarregat d'agafar l'aire a pressió atmosfèrica i introduir-lo en un calderí o dipòsit a una pressió entre 6 i 10 bars (de 6 a 10 vegades la pressió atmosfèrica).
El principi de funcionament és similar als sistemes hidràulics però amb la diferència que s'utilitza aire en lloc d'oli.

Propietats i aplicacions

Permeten moviments més ràpids.
Admeten sobrecarregues.
L'aire comprimit és fàcil de emmagatzemar i transportar.
Aplicacions

automatismes en general.
fixació de peces.
martells pneumàtics.
turbines o motors pneumàtics capaços de girar a gran velocitat.
sistemes d'obertura i tancament de portes.
sistemes d'embragatge i fre, etc.

Automatismes i realimentació

Un automatisme per realitzar bé la seva funció, ha de rebre informació del resultat de les seves accions i actua en conseqüència.

Els automatismes que actuen d'aquesta forma són automatismes amb realimentació o de llaç tancat.

La realimentació consisteix en mesurar el paràmetre que es vol controlar i informar al controlador del seu valor.
En funció de la informació de la realimentació el controlador modificarà la seva acció.

Els sistemes que actuen amb aquest principi s'anomenen genèricament servos o servosistemes.

Els sensors

Els sensors són elements capaços de mesurar diferents paràmetres físics com: la llum, la temperatura, la humitat, la velocitat, la distància, el pes, el so, etc.
Tret alguns servomecanismes mecànics, els sensors transformen la magnitud física que mesuren en un senyal elèctric.
El senyal elèctric dels sensors informen al sistema de control del resultat de les seves accions.
Els sensors són indispensables en els sistemes robotitzats.

Els sensors poden ser:

mecànics
elèctrics
magnètics
òptics
químics
Els robots

Són màquines programables que fan o ajuden a fer una feina.
Són màquines versàtils capaces d'adaptar-se a diverses tasques gràcies als sistemes informàtics que els controlen.

La versatilitat és el que diferència als robots de les màquines automàtiques.

En moltes ocasions els robots disposen de sensors per captar informacions del seu entorn.
també poden estar controlats amb sistemes d'intel·ligència artificial que els fa capaços d'aprendre moviments i prendre decisions.

Parts d'un robot

Estructura física
Els robots poden tenir formes molt diferents en funció de les tasques per les que han esta dissenyats.
Els robots industrials acostumen a ser braços amb més o menys mobilitat, capaços de manipular eines o materials.
Tots els robots tenen unes parts fixes i mòbils, les parts mòbils i les articulacions permeten moviments diversos.
Les articulacions es mouen per mitja de sistemes hidràulics, pneumàtics o per motors pas a pas.

Equip de control està format per circuits electrònics i ordinadors que processen les informacions dels sensors i controlen els moviments del robot.

Alguns robots poden disposar de sistemes de visió artificial, aquest sistemes capten una imatge per mitja d'una càmara, posteriorment un ordinador interpreta la imatge i dona les ordres oportunes al robot per realitzar la tasca encomanada. Exemple evitar un obstacle o posicionar una peça.


Aplicació industrial del automatismes

La combinació del automatismes, els robots i la informàtica han suposat un canvi molt important en els sistemes de producció:

Nivells de producció molt alts
Gran augment de la qualitat
Reducció dràstica de personal
Baixada de costos
Casos concrets de aplicació d'aquestes tecnologies són:

Els sistemes de transferència
Els sistemes CAD/CAM
Unitats de fabricació flexible
Sistemes de transferència

Són una evolució de la cadena de muntatge.
En els sistemes de transferència les peces o els materials són transportats automàticament entre els diferents punts o fases del sistema productiu.
A diferència de la cadena de producció les peces passen d'una màquina a la següent de forma precisa són manipulades i inspeccionades amb una intervenció mínima del operaris.
En cas de produir-se algun fallo el sistema es capaç de detectar-lo i actuar en conseqüència.
En els sistemes de transferència els materials i les peces solen ser moguts per robots controlats per un sistema informàtic.
Sistemes CAD/CAM

CAD (Computer assisted desing)
Consisteix en dissenyar les peces mitjançant ordinadors. Totes les formes i dimensions de les peces queden emmagatzemades a disc de l'ordinador,
Un cop dissenyades les peces poden ser:

impreses en forma de plànols.

Transmeses per sistemes telemàtics als tallers on s'han de fabricar

Enviades a unes màquines especials capaces de elaborar la peça amb la informació rebuda.
CAM (Computer assisted manufacture)
Consisteix en l'ús d'unes màquines anomenades de control numèric, capaces de elaborar una peça en funció d'unes dades enviades des d'un teclat o un ordinador.

La combinació dels dos sistemes CAD i CAM facilita molt la fabricació sense importar la quantitat de peces a fabricar.

Unitats de fabricació flexible

Són d'unes instal·lacions industrials molt flexibles o versàtils a l'hora de fabricar productes diferents dins d'una determinada gamma.

Un exemple pot ser una fabrica de cotxes.
Actualment els cotxes dins d'un determinat model permeten una gran quantitat d'opcions i accessoris. Quan es compra un cotxe la comanda amb totes les opcions i accessoris triats es enviada a la fabrica on es fabrica de forma quasi automàtica el cotxe amb les opcions triades. El venedor pot saber en tot moment l'estat de fabricació en que es troba la comanda.

Les unitats de fabricació flexibles estan totalment controlades per sistemes informàtics.

Avantatges i inconvenients de l'automatització

Avantatges

Augment de la producció
Augment de la qualitat i homogeneïtzació dels productes.

Estalvi energètic i de materials

Reducció de costs

Millora de la seguretat laboral

Alliberament de tasques pesades i perilloses

Realització de tasques en llocs no aptes per les persones.
Inconvenients

Pèrdua de llocs de treball

Augment de la desigualtat entre països

Sobre produccions

INTRODUCCCIÓ

INTRODUCCIÓ A LA ROBÒTICA I DOMÒTICA A L'ÀREA DE TECNOLOGIA.
© Jordi Orts, 1996
Interès pedagògic
La robòtica i les seves disciplines germanes, la domòtica i el control industrial, impacten contínuament en el nostre entorn social. Cada dia més. I els mestres i professors, arrossegats per aquesta influència, intentem incorporar aquests temes en el currículum dels nostres alumnes. Fins i tot a primària (veure annex 1: VI Seminari de Logo).
La reforma educativa ens dona un marc legal que, no només ens ajuda a incloure aquest temes al currículum, si no que ens ho demana. Específicament a l'àrea de Tecnologia (veure annex 2: Decret 96/1992).

La robòtica és cara. Necessita una preparació i dedicació important del professorat. Necessita uns materials cars i en nombre suficient per que la classe no s'esdevingui una classe magistral, contrària a l'esperit constructivista de la reforma, sinó una classe participativa i creativa. Encara que busquem solucions més modestes, que donem als professors recursos per millorar el desenvolupament del currículum i per estalviar recursos, objectius d'aquest curset, la robòtica és cara.

Però, per a què tants esforços ? Per què? Per a què tantes hores de dedicació, tants recursos monetaris? Per què? Quin és el motiu, o la finalitat, de tot això?

Aquest impacte, encara que monstruós, en la nostra societat de la robòtica no és prou. Cal buscar la resposta en l'interès pedagògic.

Efectivament. La robòtica:

és atractiva pels alumnes. Potser sigui pel sentiment d'autoritat, de sentir com les teves ordres son obeïdes sense protestes i amb la màxima rigorositat. Veiem exemples en la preferència dels alumnes pels gossos en front dels gats, més independents, o en les joguines teledirigides com cotxes o avions.
és coneguda pels alumnes, a través de reportatges televisius o de pel·lícules de ciència ficció. Aquest coneixement potser de vegades un inconvenient: de vegades el que espera l'alumne no correspon a la realitat actual (massa influenciat per la ciència ficció) o amb la realitat de l'aula (projectes massa cars o complicats).
és una matèria multidisciplinar. Per portar a terme un projecte cal fer servir símbols o diagrames (primers esbossos), dibuix tècnic (projecte), física (ús i calibració de sensors), fusteria, mecànica, tecnologia d' adhesius (per fer el model), electrònica i informàtica (per connectar-lo i controlar-lo), ...
és una forma meravellosa d'aprendre a resoldre problemes. Molts alumnes associen la paraula problema amb les matemàtiques, i no s'en adonen de que els problemes son allò que resolguem cada dia. A les matemàtiques potser no entenen l'enunciat, o d'on treure les dades, o què es demana. A la robòtica el problema és clar. L'enunciat, les dades i el que ha de fer el robot s'entén perfectament. Les tècniques d'assaig i error, d'hipòtesis i antítesis es desenvolupen de forma natural com rellotges de precisió.
està fins i tot lligat a la filosofia. Potser un dia un robot tindrà la suficient autonomia, és a dir, la suficient capacitat de judici, per a poder actuar d'una manera o d'altre quan hi han vides humanes en perill. Isaac Asimov fa una reflexió d'això i dona unes pautes de comportament, les anomenades lleis de la robòtica [I, Robot. 1950]. Molt més tard introdueix una quarta llei [Robots and Empire. 1983], molt lligada amb l'idea hegeliana de la consciència col·lectiva, tan ben portada a la pràctica per Hitler i Stalin. Seria una bona lectura pels alumnes, i un bon tema per a discutir a classe.
Ja hem mencionat abans la possible deformació dels alumnes per part de les pel·lícules de ciència ficció o els reportatges espectaculars. També són molts els alumnes que no relacionen els conceptes ordinador/robot/domòtica/control industrial com fem nosaltres. Per això serà important recollir dades
sobre aquests vicis a l'avaluació inicial (veure annex 3: Avaluació Inicial).

Introducció històrica

El terme robot no és massa recent: l'introdueix l'autor txec Karel Capek a la seva obra de teatre R.U.R. (Rossum's Universal Robot) al 1920. Sembla derivar del txec robotnik (=serf)[Webster Encyclopedic Unabridged Dictionary of the English Language. 1989].

La seva definició actual és molt amplia [Diccionari de la llengua Catalana. Enciclopèdia Catalana. CD-ROM 1994]:

robot [ rußÓt ] 1 1 m autom En les obres de ficció, màquina daspecte humà, capaç de moures, executar operacions, parlar, etc. 2 m inform/autom Màquina automàtica capaç de manipular objectes, executar operacions i moviments diversos segons un programa que pot ésser modificable o adaptable, i que pot anar equipat amb sensors per tal de detectar els senyals dentrada i les condicions ambientals. 3 adj Comandat per un robot. Avió robot. 2 retrat (o foto) robot Retrat dun individu buscat per la justícia que hom obté bo i combinant certs tipus de fisonomia a base de les senyes aportades per testimonis oculars.

robòtica f autom/inform Conjunt destudis i tècniques de realització de robots.

Encara que depèn molt de la font consultada [Enciclopedia Multimedia. Planeta De Agostini. CD-ROM. 1994]:

robot m. CIB. Ingenio mecánico controlado electrónicamente, capaz de moverse y ejecutar de forma automática acciones diversas, siguiendo un programa establecido.

robótica f. Técnica que trata del diseño y construcción de robots

robotizar tr. Dotar de robots

Cal dir que aquesta darrera definició és del diccionari d'aquesta obra. L'article enciclopèdic és molt més complert (veure Annex 4: Articles enciclopèdics, on també hi ha un article molt bo de l'enciclopèdia Encarta, què es troba a tots els centres de recursos i a molts instituts, encara que en anglès).

Encara que el terme robot és tan recent, el seu concepte és vell, malgrat que expressat en sinònims com autòmat (=que pensa per si mateixa. A la mitologia grega, una de les cíclades). El trobem a la mitologia, als rellotges del segle XVIII, a la literatura infantil (Pinotxo, 1883), a la revolució industrial (indústria tèxtil), als circs (una visita al museu d'autòmats del Tibidabo seria una activitat molt interessant), la ciència ficció, la descoberta espacial o a les centrals nuclears, per citar només uns exemples. I molts d'ells pertanyen a coneixements ja adquirits pels alumnes, que caldria aprofitar. No es pot demanar que un alumne conegui la mitologia clàssica, però segur que ha vist la pel·lícula cortocircuit.


Característiques dels autòmats
Ja hem vist que la diferència entre robot i autòmat no és massa clara, encara que veiem que el segon terme és molt més ampli que el que esperem del primer. El robot és, així, un tipus d'autòmat. Però, que és el que el caracteritza? La seva semblança humana? No, aquest és un error massa comú. La semblança visual a un home la té un androide. Si hem de diferenciar un robot de la resta d'autòmats és per la seva mobilitat. La resta de característiques són comunes a tots els autòmats:
Governabilitat. Capacita d'un autòmat de ser comandat des de l'exterior.
Autonomia. Incorpora molts aspectes: capacitat sensorial, de decisió, d'adaptació, d'aprenentatge i de cooperació. Només les dues primeres són necessàries.
Polivalència. Capacitat de realitzar diferents tasques. Quan només es pot adaptar a una sèrie de tasques determinades parlem de versatilitat.
L'estructura de l'autòmat ens ha de dur a aquestes característiques:
Estructura mecànica. L' esquelet del robot. Només té importància en els robots, ja que, a la vegada, ha de compatibilitzar el moviment amb la rigidesa.
Actuadors. Aquells components que permeten actuar a l'autòmat. En el cas del robot produeixen moviment (motors, estris pneumàtics, bobines, ... Permeten a l'autòmat modificar el seu entorn i li proporcionen utilitat.
Sensors. Donen informació a l'autòmat sobre l'entorn i sobre si mateix.
Unitat de control. Pren les decisions, en funció dels sensors i de les ordres rebudes o preprogramades i fa funcionar els actuadors en conseqüència. L'aparició del computador a la dècada dels 40 va accelerar el desenvolupament dels robots vertiginosament: és la unitat de control perfecte.
L'espectacularitat de l'eficiència dels autòmats es troba en el següent bucle de realimentació (feedback):


La mobilitat és cara. Més amb alumnes. Necessita actuadors cars i sofisticats. Necessita una estructura mecànica robusta, que es pugui deixar als alumnes sense por. Si renunciem a la mobilitat com a condició necessària, si no ens limitem a robots si no que acceptem qualsevol autòmat per al nostre estudi, les dificultats de realització baixen. Molt. Té menys interès pedagògic per això? Sembla que no. I guanyem molt.

Dues aplicacions típiques dels autòmats fora del mon dels robots són la domòtica (control de la casa) i el control industrial. Dos exemples clars són el control dels llums i d'altres aparells electrodomèstics (simulador de presència antirobatori) i el control del trànsit. Els podem tenir presents amb els robots a l'hora de suggerir projectes o plantejar problemes.


L' Ordinador Personal com a Sistema de Control

Ja hem comentat que l'aparició de l'ordinador a la dècada dels 40 va accelerar vertiginosament el desenvolupament dels robots.

La pregunta clau és aquesta: Podem fer servir l'ordinadors personal que tenim a l'institut com a cor d'un robot o autòmat?

Per poder respondre aquesta pregunta cal verificar si es compleixen les condicions:

Podem connectar-hi sensors ?
Podem connectar-hi actuadors ?
Podem programar l'ordinador per prendre decisions en funció dels sensors i d'unes instruccions prèvies i actuar en conseqüència ?
La resposta a les tres preguntes és afirmativa:
L'ordinador té diverses entrades en la seva versió més bàsica: port sèrie, joystick, ... Moltes vegades el trobem ampliat amb entrades de so (ordinadors multimèdia). A més a més li podem afegir targetes especialitzades. Per no gastar diners ni demanar un ordinador massa potent farem servir l'entrada de joystick (comandament de jocs).
També té moltes sortides: sèrie, impressora. Els ordinadors multimèdia porten altaveus. També podem afegir-hi targetes especialitzades. Ens quedarem amb el port d'impressora.
Són molts els llenguatges de programació que accepta el nostre ordinador i que permeten llegir les entrades i canviar les sortides: Pascal, C, Assembler, Basic. Ens quedarem amb el QBasic, que porten tots els sistemes MS-DOS recents.
Una justificació més convincent d'aquestes opcions la trobarem més endavant.

Connexió de l'ordinador
Control d'entrades i sortides

El comandament de jocs (joystick) permet en un joc marcar la posició i disparar. Això es tradueix en dos senyals analògics (posicions X-Y) i dos digitals. La possibilitat de connectar dos comandaments (A i B) duplica el nombre d'entrades (Veure Annex 5: Documentació Entrada de Joystick).

El port d'impressora permet escriure 1 byte (8 bits) a la vegada, a més a més de llegir 5 senyals de control (un d'ells permet provocar una interrupció en el PC !) i escriure en altres 4 (Veure Annex 6: Documentació Sortida Impressora).

A nivell de sortides amb vuit n'hi ha prou per la majoria de projectes, pel que treballarem, bàsicament, amb els vuit bits de dades del port d'impressora. De vegades potser sigui interessant utilitzar una sortida analògica. En aquest cas podríem posar un convertidor de digital a analògic (A/D) connectat al port d'impressora. Encara que al mercat trobem molts convertidors no massa cars, ens podem construir un a base de resistències, més fàcil de controlar des del QBasic i encara més barat (Veure annex 7: Convertidor D/A).

Això ens dona una idea de les grans possibilitats del PC com a cor d'un autòmat. Cal, però, anar amb molt de compte fent les connexions, no sigui que espatllem l'ordinador. Si volem seguretat, podem triar dues opcions:

Fer un aïllament elèctric entre l'ordinador i l'exterior, fent servir, per exemple, optoacopladors. Cal dissenyar i muntar el circuit, i potser no és la solució més general ni barata.
Posar una placa auxiliar amb port de joystick i d'impressora, que es pugui canviar i sigui barata. Imprescindible si el port de joystick o d'impressora forma part d'un mòdul més complex i car (placa mare, targeta de so). Al mercat una targeta controladora de disc, amb 2 canals sèrie, port d'impressora i joystick costa unes 2000 ptes.
Conèixer l'entorn:
Sensors

Mitjançant els sensors l'autòmat coneix la situació al mon exterior. Com rep aquesta informació ?
Suposem que la nostra àvia que viu a Madrid ens troca per telèfon, i volem conèixer quin temps fa allà.
Ella ens pot contestar de dues maneres:

Fa sol. Fa calor. L'aire és sec.
La insolació diària és de 10 hores. La temperatura de 28'5 0C. La humitat del 20 %.
Les primeres respostes són de tipus digital: si o no. Sol o pluja. Calor o fred. Sequedat o humitat.
Les darreres respostes son analògiques. 10, 9, 6, 7, 2 són valors possibles a les hores d'insolació. La temperatura pot anar des de -20 °C a 40 °C, i qualsevol termòmetre domèstic ens ho diu amb dècimes de °C. La humitat pot prendre qualsevol valor entre 0 i el 100 %.

Els senyals digitals els entén l'ordinador com un voltatge de 0 o de 5 V. A qualsevol entrada digital podem
adaptar qualsevol d'aquests tipus d'interruptor:


Podem posar en lloc d'un interruptor qualsevol circuit que tingui un comportament semblant. Però hem d'anar amb compte: no ens hem de passar dels 5 V (si teniu dubtes pels alumnes poseu-hi un diode zener per limitar l'entrada) ni hem de permetre l'entrada de voltatges positius (això és fàcil de protegir amb un diode normal).

L'entrada de joystick permet llegir els valors de 4 resistències entre 0 i 100 K. Podem posar qualsevol tipus de resistència variable, fins i tot no lineal, per mesurar qualsevol magnitud física (veure Annex 8: Sensors analògics). Si la resistència que ens interessa no utilitza tot el rang de 0 a 100 K podem adaptar-la amb un muntatge de resistències tipus shunt o similar.
Una vegada adaptat el sensor al rang d'entrada, caldrà calibrar la seva resposta. Serà interessant que aquesta calibració la facin els alumnes, encara que d'una manera empírica, treballant així els conceptes de precisió i resolució.

Molt senyals analògics es poden treballar com digitals (llum/foscor, calor/fred, ...) amb circuits molt senzills, tenint en compte el gran canvi que experimenta el sensor (una LDR pot variar d'una resistència de l'ordre de 1 MW a la foscor fins l'ordre dels 100 W a plena llum) amb un divisor de tensió. Encara que això a la pràctica professional és habitual, és interessant que els alumnes passin per la fase de tractament analògic. Una vegada que han vist i mesurat el comportament del sensor (encarar que sigui amb un polímetre) podran passar a la fase digital.

En principi no ens hauríem de preocupar pels rebots típics de les entrades digitals, donat el temps característics que farem servir (treballarem a l'ordre dels segons o dècimes de segon com a molt). Només en el cas de fer servir l'entrada amb interrupció de la impressora ens haurem d'amoïnar. En aquest casos podem fer servir un biestable RS (l'integrat SN 74279 en porta 4), o, fins i tot, un condensador.


Modificar l'entorn:
Actuadors
Quan volem modificar l'entorn, donen ordres que també poden ser dels dos tipus: digitals o analògiques. Podem encendre l'aire condicionat, obrir una aixeta o apagar un llum (digitals) o bé podem apujar el so d'un televisor o abaixar la calefacció fins un determinat nivell (analògiques).
El port d'impressora ens dona sortides digitals. Ens limitarem a aquestes 8 sortides bàsiques (el bus de dades de la impressora) encara que podríem fer-ne ús de les altres sortides o utilitzar aquestes 8 sortides digitals per codificar un senyal analògic de sortida que caldria amplificar (veure annex 7: Convertidor D/A).

Aquesta sortida digital no ens permet molta potència. com a molt ens permet encendre un LED. Però la podem fer servir per excitar un transistor o un relè que controli l'actuador.

El LED és el cas més senzill d'utilització. Cal posar una resistència per limitar el corrent que el travessa:

encara que els LEDs es poden col·locar en paral·lel:

La caiguda de tensió al LED (VLED) depèn del tipus de LED amb que treballem. Normalment ens trobarem amb valors al voltant dels 2 V.
La intensitat màxima típica pels LEDs és de 20 mA, encara que s'acostumen a polaritzar amb un corrent de 5 o 10 mA.

Cal anar amb molt de compte amb els extracorrents de ruptura i obertura d'actuador inductius (o capacitius) com ara els relès o solenoides. Caldrà protegir la sortida, fins i tot els transistors, perquè no es facin malbé (per una informació més detallada vegeu el llibre Adquisición y Distribución de Señales. Ramón Pallás Areny. Ed. Marcombo 1993).

Per altre banda, en els robots és típic l'ús de motors per donar el moviment. Són molt més controlables els motors anomenats pas a pas (veure Annex 9: Motors pas a pas).




Elements de Programació
No només hem de poder llegir i escriure l'entorn, hem d'actuar en conseqüència. Per això cal programar l'autòmat. Cal tenir les idees molt clares abans d'escriure res, i organitzar-nos de manera que si ens equivoquem -cosa força freqüent- ens sigui fàcil rectificar.
Una de les eines més adients és el diagrama de flux o ordinograma.

Farem servir una sèrie de símbols que representen cada acció de l'ordinador i fletxes que uneixen les diferents accions.

Podem assegurar que el coneixement de la tècnica de diagrames de flux justifica per se qualsevol crèdit del nou sistema educatiu. Fins i tot es pot practicar sense cap aparell a l'abast: podem fer que els alumnes, per parelles, executin els diagrames desenvolupats pels seus companys. És una de les eines mes potents per desenvolupar projectes i organitzar el pensament a qualsevol disciplina.

Qualsevol llenguatge de programació inclou dos tipus de processos en els que es fonamenta la seva utilitat: les decisions i els bucles o iteracions.







Les decisions són els elements bàsics de qualsevol màquina polivalent. Correspon a la implicació matemàtica: si es cumpleix la condició A aleshores executem la tasca B.

En aquest petit exemple l'ordinador demana l'edat de l'usuari i decideix si és o no major d'edat. Si en lloc de demanar l'edat a l'usuari l'ordinador llegeix la temperatura d'una habitació i en lloc de decidir el missatge el que fa és apagar o engegar una resistència calefactora tindríem un control de temperatura constant (caldria fer que després d'executar l'acció adient el programa tornés a llegir la temperatura, i així sempre).

La decisió s'utilitza al llenguatge BASIC mitjançant la sentència IF ... THEN ... ELSE ... (Veure Annex 10: Decisions)

Les decisions senzilles són fàcils d'entendre. El tema es complica quan una decisió afecta a una altre decisió posterior (bifurcacions successives), o quan la condició és complexa (condicions elementals amb connectors AND i OR). Cal que els alumnes s'exercitin en aquests tipus de complicacions. Per que l'exercici sigui ràpid i segur, és millor que el facin amb programets senzills com l'exemple anterior, on les dades i les accions es fan al mateix ordinador.
AND 0 1
0 0 0
1 0 1


Respecte als operadors AND i OR, caldrà recordar la seva taula de veritat, ja que, a més a més de fer-se servir per les condicions, al seu paper és fonamental en la modificació de les sortides i la lectura de les entrades. Cal recordar que els senyals s'agrupen en blocs de 8 bits (byte) i, per tant, hem d'aïllar el bit que volem modificar o llegir amb una màscara i fent servir OR o AND. També l'operador XOR és molt útil, ja que la seva actuació és reversible i permet invertir directament els bits desitjats.
OR 0 1
0 0 1
1 1 1


Els bucles o iteracions són els altres elements bàsics de la programació, malgrat no tinguin un símbol propi. De fet, les diferents formes de fer les iteracions responen a diferents diagrames de flux de la iteració. Quan l'alumne ja està familiaritzat amb la iteració, pot representar-la com una subrutina o procés sense entrar en detalls de flux, només d'accions a realitzar. En BASIC farem servir, bàsicament, les estructures FOR ... NEXT i WHILE ... WEND, malgrat n'hi ha moltes més com el REPEAT ... UNTIL, DO WHILE ... LOOP, DO ... LOOP WHILE, DO UNTIL ... LOOP, DO ... LOOP UNTIL, o sentències de decisió més complexes com el SELECT CASE ... END SELECT.

És important que l'alumne s'acostumi a treballar amb aquests tipus d'estructures, i limiti l'ús de redireccions directes del flux (GOTO) quan és imprescindible (de fet, sempre, ja que les úniques redireccions necessàries són a subrutines gestionades amb un GOSUB o subrutines de servei d'interrupció gestionades per ON event GOSUB, que tornen amb un RETURN o RESUME). De fet, és molt important que no utilitzin el GOTO per sortir o entrar d'un bucle, doncs la pila quedaria corrompuda ja que no existeix la instrucció POP del GWBASIC. En cas necessari, es por fer servir la instrucció EXIT FOR o EXIT DO, malgrat no és recomanable. EL QBASIC és un llenguatge estructurat, amb un editor de pantalla completa i ajut amb hipertext. Lluny som d'editors de línia i similars. Aquesta és una de les raons d'haver escollit el QBASIC.


Més Potència

Els elements anteriors es poden quedar curts per fer alguns dissenys concrets que necessiten més potència o rapidesa. En aquest cas podem fer servir:

Targetes especialitzades d'entrada i sortida. N'hi ha de tot tipus i preu (veure taula). Una targeta per PC capaç de treballar amb 48 entrades o sortides digitals costa de l'ordre de les 5000 ptes (PC 8255 I/O card. CARRY-I. 7000 series. Es troba a moltes botigues d'electrònica de Barcelona).
Els ordinadors més antics (Spectrum, ZX-81, Amstrad, Comodore, ...) tenen moltes més possibilitats de connexió ja que la seva estructura és molt més senzilla. Entre aquests destaca el Spectrum ja que tot el bus de la CPU és accessible des de l'exterior i està molt bé documentat.
Els autòmats programables són una eina meravellosa per aquest tipus de treball. No són gaire cars (de l'ordre de les 20000 ptes., depèn del model i marca) i es poden programar des d'un PC amb sistemes gràfics tipus SCADA.
Els microcontroladors són CPUs amb el hardware mínim per connectar a l'exterior amb senyals digitals (alguns també analògiques). Són barats, però la majoria són difícils de programar pel hardware i software necessari, i molts només es poden programar en Assembler (8051, ST6, ...) Malgrat tot, n'hi ha que són fàcilment programables com el DS5000 (un 8051 amb el programa en RAM que es pot carregar pel canal sèrie del PC) o altres derivats del 8051 programables en BASIC.
Disseny de projectes
És molt important escollir bé el projecte a realitzar per l'alumne. Ha de ser atractiu, interessant, que desenvolupi la seva creativitat però no l'ofegui amb un plantejament irrealitzable. El professor ha de col·laborar amb el seu ajut, els seus recursos i discussions, però l'alumne ha de portar la iniciativa (amb una mica d'empenta si cal).
Molta feina pot ser avançada en altres crèdits. Si es tracta de fer un control del transit amb semàfors i passos a nivell, potser la maqueta podria plantejar-se en una feina prèvia. Si cal un sensor de temperatura, un braç articulat o un sistema per regar les plantes, es pot aprofitar un projecte prèvia no automatitzat, però on s'havia pensat aquesta possibilitat.

Es pot dividir un projecte en tasques que els alumnes facin individualment o per parelles i desprès posin en comú. Per això caldran reunions prèvies de coordinació i plantejament. Cal que els alumnes facin esborranys, estudis de viabilitat, fins i tot amb petites experiències per veure si aquesta o l'altre solució és factible. Cal que facin els diagrames de flux i els modifiquin quan s'han adonat dels seus errors i els han solventat. I que facin programes de prova on les connexions són simulades amb entrades pel teclat o indicadors a la pantalla. Cal que documentin la feina i facin un informe sobre el seu desenvolupament.

N'hi ha una infinitat de projectes per proposar. Només cal estudiar el nostre entorn. N'està ple. L'única limitació és la nostra limitació, el temps i els diners. Per això cal plantejar bé els objectius, i limitar-se als aspectes més suggerents i pedagògics. Controlar 1000 bombetes és el mateix que controlar-ne una sola. És més important com la controlem.

Alguns exemples (un de robòtica, un de domòtica i un altre de control industrial) són:

Un robot autodirigit per apagar els incendis. Caldrà un sistema de moviment (motor) i de direcció (electroimant ? ), uns sensors de temperatura (poden suposar que reacciona a la llum, és menys perillós: LDRs) i un actuador que apagui l'incendi (un LED fa el mateix servei que una electrovàlvula i és més barat). Caldran molts metres de fil per connectar-lo a l'ordinador.
Control del transit i l'enllumenat d'una ciutat. Podem fer servir unes maquetes anteriors de cases (si no, agafem de cartró. N'hi ha de molt maques modernistes en color. Si tenim un scanner podem fer còpies amb la impressora (si no una fotocòpia en B/N fa el mateix). Els llums dels semàfors seran LEDs (vermell, groc, verd !!). Podem fer servir també LEDs pels fanals (ara està de moda el llum groc a les ciutats). El pas a nivell el podem controlar amb un electroimant o un motor. Els sensors poden fer-se amb paper d'alumini (pressió del cotxe o del tren). Amb una LDR podem saber si cal encendre els fanals.
Simulador antirrobatori. Molta gent quan se'n va de vacances fa connectar i desconnectar el televisor, la ràdio, els llums, fan pujar i baixar la persiana, de manera que tothom pensi que encara hi viuen. El control del llum ja l'hem vist al projecte anterior, però cal donar-li una certa dosi d'atzar. El televisor (LED + ràdio ?) i la ràdio (va a 3V, cap problema amb un relé o transistor) es poden encendre amb molt d'atzar. Podem fer servir motor o electroimants per les persianes i finestres. Fins i tot podem aprofitar per regar les plantes (si no ens volem gastar el que costa una bomba d'aquari podem imaginar-nos que un LED fa el mateix).