Exercicis de programació i robòtica — Tecnologia i Digitalització 3r ESO

És un petit ordinador dins d'un sol xip, amb processador i memòria, que executa un programa i controla components. A classe en tenim un exemple a la placa Arduino, que programem per fer projectes d'electrònica i robòtica.

Entrada: el programa llegeix un sensor per obtenir informació del món. Procés: el programa decideix què cal fer, normalment amb un si condicional. Sortida: el programa dona una ordre a un actuador perquè faci una acció. En resum: percep, decideix i actua.

digitalWrite posa un pin digital en un estat concret.
Amb HIGH, el pin 13 es posa a nivell alt (5 V) i qualsevol component connectat a aquest pin, per exemple un LED amb la seva resistència, s'encén.
Si fos LOW, el pin estaria a 0 V i el LED s'apagaria.
Abans cal haver configurat el pin com a sortida amb pinMode(13, OUTPUT).

Un algorisme és una seqüència ordenada de passos per resoldre un problema.
L'ordre correcte és: d, b, a, c.
Primer s'espera que algú premi el polsador (d), després es posa el verd (b), s'espera 10 s (a) i finalment es torna al vermell (c).

Primer es calcula la part dreta: x + 3 = 5 + 3 = 8.
Després, el resultat es guarda altre cop a la variable x, que passa a valer 8.
Una variable és un espai de memòria amb nom on es guarda un valor que pot canviar; el signe = indica assignació, no igualtat matemàtica.

1 segon són 1000 ms.
Dins del loop:
digitalWrite(13, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(13, LOW);
delay(1000);
Si ens oblidem de posar el segon delay, el LED s'apagaria i es tornaria a encendre tan de pressa que semblaria sempre encès.

analogRead() dona un nombre enter entre 0 i 1023 (el convertidor analògic-digital és de 10 bits, $2^{10}$ = 1024 valors).
El valor 0 correspon a 0 V i el valor 1023 correspon a 5 V.
Els valors intermedis són proporcionals a la tensió d'entrada.

(a) Bucle: una mateixa acció es repeteix un nombre de vegades conegut (bucle for).
(b) Condicional: només s'encén si es compleix una condició (si la llum és baixa).
(c) Bucle (while): l'acció es repeteix mentre es compleix una condició (polsador premut).

Un servomotor.
Un servomotor és un motor amb control de posició: rep un senyal que indica l'angle desitjat (normalment entre 0° i 180°) i hi es col·loca i s'hi manté.
Un motor de corrent continu només gira lliurement, i caldria afegir-hi un sensor i un control per saber en quin angle és.

Els comentaris són explicacions per a les persones, que l'ordinador no executa.
Ajuden a entendre què fa cada part del programa quan el torna a llegir el propi autor o un altre company.
També faciliten buscar i corregir errors i modificar el programa més endavant.

Entrades (donen informació a la placa): el sensor de temperatura i el polsador. Sortides (reben ordres de la placa): el motor i el LED. Les entrades es llegeixen; les sortides es governen.

Un senyal digital només té dos valors possibles, encès o apagat (1 o 0); per exemple, un polsador que està premut o no. Un senyal analògic pren un rang de valors entre un mínim i un màxim; per exemple, un LDR que dona més o menys valor segons la quantitat de llum que rep.

La funció setup s'executa un sol cop al principi, quan la placa s'engega, i serveix per configurar-ho tot (per exemple, dir quins pins són entrades i quins sortides). La funció loop es repeteix contínuament mentre la placa està encesa i conté les accions que s'han de fer una vegada i una altra (llegir sensors, decidir i controlar actuadors).

Perquè aquestes accions s'han de fer contínuament: el sensor pot canviar de valor en qualsevol moment i la placa ha de reaccionar sempre. El loop es repeteix sense parar, així que hi comprova el sensor una vegada i una altra. El setup només s'executa un cop, per això només s'hi posa la configuració inicial.

Entrada: el sensor d'ultrasons mesura la distància a l'obstacle. Procés: el programa comprova; si la distància és menor de 10 cm, cal aturar-se. Sortida: els motors s'aturen. Mentre la distància sigui més gran de 10 cm, els motors segueixen movent el robot endavant. Tot això es repeteix contínuament dins del loop.

Anem pas a pas:
i = 1: n = 0 + 1 = 1
i = 2: n = 1 + 2 = 3
i = 3: n = 3 + 3 = 6
i = 4: n = 6 + 4 = 10
Al final, n = 10 (la suma dels nombres de l'1 al 4).

Pseudocodi:
llegir temperatura
si temperatura > 28 llavors engegar ventilador
si no aturar ventilador
Entrada: sensor de temperatura. Procés: comparar el valor llegit amb 28 °C (condicional). Sortida: el ventilador, que és l'actuador.
Tot això va dins del loop perquè la temperatura s'ha de comprovar contínuament.

El pols fa un trajecte d'anada i tornada: d = v · $\tfrac{t}{2}$.
La distància total recorreguda pel so és 340 · 0,01 = 3,4 m.
La distància fins a l'obstacle és la meitat: $\tfrac{3{,}4}{2} = 1{,}7$ m.
Cal dividir per 2 perquè el temps mesurat inclou l'anada fins a l'obstacle i la tornada de l'eco.

Cicle de treball = 51/255 = 0,20, és a dir, el 20% del temps el pin està a 5 V.
Tensió mitjana: 0,20 · 5 V = 1 V.
Amb valor = 255 el motor rebria 5 V (100%); amb 51, rep la cinquena part de la tensió i gira més a poc a poc.
El PWM permet simular una sortida analògica amb una sortida digital que s'encén i s'apaga molt ràpid.

L'objectiu és mantenir la línia entre els dos sensors.
(0,1): la línia és a la dreta, i cal girar a la dreta.
(1,0): la línia és a l'esquerra, i cal girar a l'esquerra.
(1,1): els dos veuen la línia (per exemple, una intersecció), i cal avançar recte (o aturar-se segons el disseny).
(0,0): cap sensor veu la línia, per tant la línia és entre els dos sensors i s'avança recte, o s'atura si s'ha perdut.

Posició 1: V = 512 · $\tfrac{5}{1023} = 2{,}50$ V (aproximadament la meitat de 5 V).
Posició 2: V = 205 · $\tfrac{5}{1023} = 1{,}00$ V.
Comprovació: 1023 correspon a 5 V, així que 512 (la meitat) ha de ser la meitat de 5 V.

Al setup: configurar el pin del polsador com a entrada i el pin del LED com a sortida. Al loop: llegir el polsador; si el polsador està premut, encendre el LED; si no, apagar-lo. El loop repeteix aquesta comprovació contínuament, així que el LED segueix l'estat del polsador en tot moment.

En llaç obert el sistema actua sense comprovar el resultat; per exemple, un reg que s'engega un temps fix cada dia, plogui o no. En llaç tancat, un sensor comprova el resultat i el sistema es corregeix; per exemple, una calefacció amb termòstat que mesura la temperatura i s'engega o s'atura per mantenir-la. El sensor és el que tanca el llaç.

void setup() {
pinMode(9, OUTPUT); // el pin 9 és una sortida
}
void loop() {
digitalWrite(9, HIGH); // encén el LED
delay(500); // espera 0,5 s
digitalWrite(9, LOW); // apaga el LED
delay(500); // espera 0,5 s
}
El setup s'executa una sola vegada per configurar el pin, i el loop es repeteix contínuament: cada cicle dura 1 s, per tant el LED parpelleja un cop per segon.

Amb dos llindars (histèresi) l'escalfador no es connecta i es desconnecta contínuament quan la temperatura és molt propera al valor desitjat, cosa que el desgastaria.
Entre 19 °C i 21 °C no es canvia l'estat: l'escalfador manté el que tenia.
Per tant, a 20 °C estarà encès si venia d'escalfar (la temperatura pujava des de 19 °C) i apagat si venia de refredar-se.
És un control en llaç tancat, perquè el sensor retroalimenta el programa.

El bucle es repeteix per a i = 0, 1, 2, 3 i 4: són 5 repeticions, per tant el LED parpelleja 5 vegades.
Cada repetició dura 300 + 300 = 600 ms; en total 5 · 600 = 3000 ms = 3 s.
Si comencés a i = 1 i continués mentre i < 5, només es repetiria per a i = 1, 2, 3 i 4, és a dir, 4 vegades: 4 parpelleigs i 2,4 s.
Error típic: oblidar que els bucles compten des de 0.

Pseudocodi (dins del loop):
mesurar distància
si distància < 15 cm llavors
aturar motors
retrocedir durant 1 s
girar 90° a la dreta
fi del si
avançar
És un control en llaç tancat: el sensor mesura el resultat de l'acció (l'entorn) i el programa pren decisions segons aquesta informació.

L'error és utilitzar = (assignació) en lloc de == (comparació).
Amb sensor = 1 no es comprova res: s'assigna el valor 1 a la variable i la condició sempre és certa, així que el LED s'encén sempre, tant si el sensor val 1 com si no.
Correcció: if (sensor == 1) { encendre LED }.
Es tracta d'un dels errors més comuns en programació.

Perímetre de la roda: π · 6,5 = 20,4 cm per volta.
120 rpm són 2 voltes per segon, així que v = 20,4 · 2 = 40,8 cm/s.
Temps per a 200 cm: t = 200/40,8 = 4,9 s.
El programa seria: motors ON; delay(4900); motors OFF.
En la pràctica la distància pot variar per patinatge de les rodes, per això s'afegeixen sensors.

Lectures al dia: 24 h · 60 min / 10 min = 144 lectures.
Cas pitjor: es rega a cada lectura, 144 · 5 s = 720 s = 12 min de reg.
Aigua: 12 min · 6 L/min = 72 L.
És un control en llaç tancat: només rega si el sensor detecta terra seca, així s'estalvia aigua.