Vídeo 25: Biestables y notificaciones
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Para almacenar los bits necesitamos un nuevo componente: el biestable. Con estos elementos, nuestros circuitos pueden recordar eventos ocurridos en el pasado, y no sólo en el presente. Haremos ejemplos de uso de biestables en circuitos simples, para ganar intuición sobre cómo utiliarlos
Academia-Jedi-HW-25.zip: Colección para este tutorial. Descargar e instalar
- Introducción
- Eventos y notificaciones
- Biestables con Set y Reset
- Ejemplos de aplicación
- Conclusiones
- Ejercicios propuestos (25 Bitpoints)
- Ejercicios entregados
- Autor
- Licencia
- Créditos y agradecimientos
- Enlaces
- Preguntas frecuentes
Los circuitos digitales realizan tres operaciones con bits: transporte, manipulación y almacenamiento. Los cables se encargan del transporte y los circuitos combinacionales de su manipulación. Nos falta por aprender cómo almacenar bits. Esto lo realizan los biestables
Un biestable es el elemento mínimo que permite almacenar un bit. Almacenar los bits es muy importante, porque nos permite recordar lo que ha ocurrido en el pasado. Y así tomar decisiones sobre lo que hacer en el presente y el futuro.
Y es precisamente por esta capacidad de recordad que utilizaremos este símbolo para representar un biestable en Icestudio:
Los biestables son los que guardan las notificaciones de lo que ocurre en nuestro circuito. Como un biestable sólo puede almacenar 1 bit, se usará para registrar sólo 1 notificación
Aprenderemos a manejar biestables usando la intuición, y haciendo muchos ejemplos de su uso. La mejor manera de aprender es practicar. ¡Vamos a ello!
En nuestros circuitos ocurren eventos: pulsación de un botón, detección de un objeto por parte de un sensor IR, que dos números sean iguales, que haya transcurrido cierto tiempo, que una operación se ha terminado de realizar...
Definimos evento como un cambio en una señal. Así por ejemplo, al cambiar el estado de un pulsador de NO estar apretado a pulsarse, aparece un cambio de 0 a 1 en su señal. Este cambio es un evento
Hay dos tipos de cambio, de 0 a 1, también llamado flanco de subida, y de 1 a 0, denominado flanco de bajada. Cuando soltamos el pulsador se genera otro evento, pero esta vez el cambio de la señal es de 1 a 0 (flanco de bajada)
Hasta ahora, los eventos los hemos mostrado en LEDs, y en otros periféricos de salida, como los servos. Sólo hemos visualizado el presente. Con los biestables podemos registrar los eventos, para recordarlos
Retomaremos el circuito "Hola mundo" para encender un LED al apretar un pulsador, del Tutorial 9.
Lo cargamos y lo probamos
Funciona como esperábamos: es un circuito muy sencillo y muy conocido. Pero vamos a fijarnos en lo que está ocurriendo: en el LED se está reflejando lo que ocurre en el presente, en este momento. Mirando el LED sabemos el estado del pulsador. Pero no sabemos nada de lo que ha ocurrido en el pasado. Necesitamos usar biestables para ello
Los biestables nos permiten registrar los eventos y notificarlos. Para recordar cosas lo primero que hacemos es registrarlas. Es la operación SET de los biestables. Los móviles nos lo marcan con las notificaciones que vemos en la parte superior: al mirarlas sabemos que hay mensajes pendientes, que sucedieron en el pasado, y que todavía no han sido leidos
La segunda operación es la de borrado de las notificaciones. En el caso de la lectura de mensajes en el móvil, las notificaciones desaparecen una vez que los hemos leído. Es la operión RESET de los biestables
Así, nuestro biestable es un circuito con dos entradas: Set y Reset. Una para registrar el evento, y la otra para borrarlo. Y tienen una salida: nos indica la notificación. Si está a 0 es que no ha ocurrido el evento. Si está a 1 es que hay una notificación pendiente
Vamos a hacer un circuito para registrar y notificar el evento de botón apretado. Conectamos el pulsador a la entrada SET del biestable y la su salida a un LED: de esta forma veremos en el LED el estado del biestable: Si está encendido es que el pulsador ha sido apretado en el pasado. Si está apagado es que no se ha pulsado desde la última vez que lo borramos
Es necesario conectar la entrada de RESET para borrar la notificación pendiente y volver al estado inicial. Esto lo hacemos conectándola al pulsador interno SW1
Cargamos el circuito y lo probamos:
En cuanto se aprieta el pulsador, el biestable registra el evento y se pone su salida a 1. Aunque soltemos el pulsador, la notificación seguirá estando: recuerda que el botón se ha apretado. Como sólo tiene memoria de 1 bit, sólo puede recordar un evento, por lo que no puede distinguir si el pulsador ha sido apretado una o varias veces. Con el otro pulsador borramos la notificación
Los biestables con Set y Reset, como el que hemos usado en el ejemplo 2, funcionan como banderas o indicadores (Conocidos como flags en inglés). Es una técnica que se usa también en programación, donde se definen variables que permiten registrar la ocurrencia de un evento. Según el valor de estos flags, el programa hace una acción u otra
Con la entrada SET ponemos la bandera a 1, para señalar que ha ocurrido el evento. Con RESET la ponemos a cero. Es un comportamiento muy sencillo, pero muy potente, y nos permitirá hacer muchísimas cosas, como veremos en los ejemplos de aplicación
Vamos a practicar el pensamiento hardware con biestables. Aplicaremos la misma idea del ejemplo 2 a otros ejemplos
Partiremos del mismo circuito del ejemplo 1, pero conectando un sensor de infrarrojos (IR) en vez de un pulsador. Tiramos un cable para mostrar el estado del sensor en el LED
El montaje es el siguiente. Colocamos el sensor IR y el LED externo
Lo cargamos y lo probamos. Es un ejemplo que ya conocemos. En el LED se muestra el estado presente del sensor. Sólo cuando hay un objeto delante del sensor, se enciende el LED. Cuando no hay nada, se apaga
Añadimos un biestable al ejemplo anterior para capturar el evento de objeto detectado, y notificarlo en un LED. Ahora, el LED se enciende cuando se detecta un objeto, y permance encendido. Nos está indicando que en algún momento del pasado, el sensor ha detectado un objeto
En el montaje incluimos un pulsador externo para rearmar el detector y borrar la notificación
Lo cargamos y lo probamos
En el ejercicio 2 del Tutorial 16 propusimos hacer una barrera que se levantase cuando llegase un vehículo, y que se cerrase cuando no lo detectase. Se trataba de un circuito combinacional, usando un único sensor de IR. Aunque era muy divertido, la barrera era poco funcional
Mejoraremos ese ejercicio. Incluiremos dos sensores de IR, que generan los eventos: Ha llegado un vehículo y Vehículo ha entrado en recinto. El sensor 1 está colocado en la entrada, y detecta los vehículos que quieren entrar en el recinto. El sensor 2 está colocado dentro del recinto, y detecta los vehículos que han entrado en el recinto
El funcionamiento de la barrera es el siguiente. Cuando llega un vehículo, lo detecta el sensor 1 y la barrera se abre. El vehículo entra. Una vez dentro, el sensor 2 lo detecta y cierra la barrera. Se muestra en esta animación
Queremos diseñar un circuito controlador que haga que la barrera se mueva de esta forma. ¿Cómo sería?
Utilizaremos un biestble para representar el estado de la barrera. Cuando esté a 1, la barrera estará levantada, y cuando esté a 0 bajada. El sensor 1 emite el evento "Ha llegado vehículo. Cuando esto ocurre, queremos que la barrera pase al estado de levantada, por lo que lo conectamos a la entrada SET del biestable, para registrar el evento. El sensor 2 emite el evento "Vehículo dentro". Cuando esto ocurre hay que bajar la barrera, por lo que lo conectamos a la entrada de RESET. Por último conectamos la salida del biestable al servo que maneja la barrera. ¡Listo! Fácil, ¿no?
Este es el montaje. En la izquierda se encuentra el sensor 1, de detección de los coches que quieren entrar. En la derecha el sensor 2, para detectar los que ya están dentro. Y en el centro el servo que sube y baja la barrera
Lo cargamos y lo probamos. En este vídeo de Youtube se muestra su funcionamiento
En esta simulación-animación se muestra el circuito y lo que está ocurriendo en su interior mientras el vehículo se desplaza y activa los sensores de infrarrojos
Retomaremos el ejemplo de la apertura de una caja fuerte con un código, que ya vimos en los tutoriales 12, 17 y el ejericio 2 del 19
Añadiremos un biestable para que la cerradura permanezca abierta una vez que el código sea correcto y se pulse el botón de abrir
El panel tiene 4 interruptores para introducir el código (en binario), un pulsador para abrir la caja y otro para cerrarla. Hay dos LEDs, uno rojo que indica que la caja está cerrada y uno verde que se enciende cuando está abierta. En esta animación se muestra en funcionamiento
¿Cómo sería el circuito?. Lo diseñaremos por partes. Usaremos un biestable para almacenar el estado de la caja: 0-cerrada, y 1-abierta. Cuando el biestable pase a valer 1, la caja estará abierta, y se abrirá la puerta a través del servo. También se encenderá el LED verde. Cuando está cerrada, el LED rojo está encendido, el verde apagado y el servo en la posición de cerrado
Ahora nos falta la otra parte del circuito. La caja se abrirá cuando se produzca un evento de apertura de caja. Esto se consigue cuando se producen a la vez otros dos eventos: uno de código correcto y otro de pulsación del botón de abrir. Por eso se usa una puerta AND que llega a la entrada SET del biestable
Por otro lado, el botón de cerrar se conecta a la entrada de RESET del biestable. Cada vez que se aprieta, el biestable pasa a valer 0 y se cierra la caja
Para detectar el código usamos un circuito combinacional a partir de una tabla de verdad. Sus salidas son siempre 0 excepto cuando por los interruptores llega el código 1010. Modificando esta tabla cambiamos el código de apertura. El circuito completo es el siguiente:
Este es el montaje del circuito, para realizar las pruebas. Se incluyen los 4 interruptores externos, los dos pulsadores, los dos LEDs y un servo que representa la puerta de la caja
Lo cargamos y lo probamos. En este vídeo se puede ver su funcionamiento en acción
En esta simulación-animación se muestra lo que está ocurriendo en el circuito
Diseñaremos una alarma antirrobo para una joyería o museo. Un sensor de presencia detectará que un objeto no sea robado. Si alguien se lo lleva, la alarma se disparará y se activarán dos sirenas, una acústica y otra luminosa
Inicialmente la alarma está desconectada. Para ponerla en marcha, primero colocamos el objeto a proteger y luego apretamos el botón de activar. En ese momento el LED verde empezará a parpadear para indicar que está activada. En cualquier momento se puede desactivar pulsando el botón de desactivar
Si estando la almarma activada alguien sustrae el objeto, se disparará y empezará a sonar la sirena acústica y a parpadear el LED rojo
¿Cómo sería el circuito?
Empezaremos por las partes que ya conocemos. Los circuitos que hacen sonar la alarma y parpadear el LED ya los conocemos. Con ellos creamos los bloques Sirena y Baliza, que están disponibles en la colección del tutorial 25, en el menú Varios/Accesorios
La sirena tiene una entrada de habilitación. Cuando se pone a 1 empieza a sonar. El sonido se lo componen dos señales cuadradas de 1Khz y 2Khz, que se alternan a la frecuencia de 4Hz
La baliza también tiene una entrada de habilitación para hacer que funcione al activarse. Simplemente hace parpadear el LED conectado a su salida a la frecuencia de 2Hz
Para nuestra alarma antirrobo usaremos 2 biestables: uno para notificar que la alarma está activada y otro para indicar que se ha disparado
La alarma se activa si está colocado el objeto a proteger (el sensor detecta el objeto) y se aprieta el botón de activar. Se desactiva pulsando el botón de desactivar. El circuito que implementa esta parte es el siguiente:
La alarma se dispara si está activada y se sustrae el objeto, es decir, si mientras está activada el sensor de infrarrojos deja de detectar el objeto. Una vez disparada, se puede apagar con el mismo pulsador de desactivar. Esto lo modelamos con el siguiente circuito:
La salida de este biestable la usamos para activar la Sirena y la baliza
Sólo nos queda por hacer el circuito de control del LED verde. Cuando la alarma está apagada, muestra el estado del sensor de infrarrojos: se enciende si hay objeto y se apaga cuando no está. Esto nos permite saber cuándo está el objeto bien colocado. Cuando la alarma está activada, el LED se pone a parpadear a 1Hz. Usamos un multiplexor de 2 a 1 seleccionado mediante el biestable 1
El circuito completo es el siguiente
Este es el montaje en el panel de corcho. El objeto a proteger es un coche de juguete :-)
Lo cargamos y lo probamos. En este vídeo se muestra en funcionamiento
Y en esta animación-simulación se pueden ver los que ocurre dentro del circuito:
Los biestables nos permiten que los circuitos tengan un estado interno. Parten de un estado inicial (Por ejemplo, alarma desactivada). Las entradas cambian este estado, almacenando unos o ceros en sus biestables. Y a partir de este estado, se generan las salidas. Esta es una idea muy importante
La combinación de biestables con circuitos combinacionales produce un nuevo tipo de circuitos llamados secuenciales. Con ellos podemos diseñar Autómatas finitos, también llamados máquinas de estados. Estos circuitos sirven para muchas cosas, entre ellas para implementar las unidades de control de los microprocesadores
Aunque existen técnicas formales para el diseño de autómatas, nosotros usaremos un enfoque más informal, que nos permita desarrollar la intución. Nuestros circuitos no serán los óptimos, pero serán muy intuitivos. Una vez desarrollada esta capacidad de pensar en hardware, nos resultará más fácil aprender las técnicas formales
Ver los detalles de los ejercicios y las entregas en el menú Archivos/Ejemplos/2-Ejercicios de la colección de este tutorial
Resumen:
- Ejercicio 25.1 (Total 5 Bitpoints): Captando la atención de Franky
Colocar dos sensores de infrarrojos. Franky se quedará mirando siempre al último que se haya activado. Si se detecta algo por la derecha, girará su cuello hacia la derecha y permanecerá en esa posición. Si detecta algo por la izquierda, girará el cuello a la izquierda y permancerá en esa posición. Colocar también dos LEDs, uno a la derecha y otro a la izquierda. Según en la posición en la que esté mirando Franky, se iluminará uno u otro
En esta animación se muestra el funcionamiento pedido
- Ejercicio 25.2 (Total 5 Bitpoints): Alarma de presencia
Sistema de alarma de detección de intrusos. Se usarán dos sensores IR para detectar la llegada de un intruso. Cuando cualquiera de los dos sensores se active, la alarma se disparará y empezarán a sonar dos tonos, de 1Khz y 2Khz alternativamente a la frecuencia de 4Hz, y dos LEDs parpadearán intermitentemente a 2Hz. La alarma estará sonando hasta que se desactive. Para su desactivación será necesario introducir una clave de 3 bits mediante 3 interruptores externos y apretar el pulsador de desactivación. El código de desactivación es 101
En este vídeo de youtube se muestra el funcionamiento pedido
- Ejercicio 25.3 (Total 10 Bitpoints): Juego: ¡Primero en pulsar!
Diseñar un circuito para jugar al juego de primero en pulsar, en el que gana el jugador que aprieta
antes el pulsador. Hay dos jugadores. Cada uno tiene un pulsador y un LED externos. Cuando el árbitro termine de formular una pregunta, el jugador que apriete el pulsador antes ganará, y podrá reponderla. Para ello,
el circuito debe encender el LED del jugador que primero aprieta el pulsador, y cuando esto ocurre, anular el pulsador del otro jugador. Para apagar el LED del ganador, se aprieta el pulsador SW1. Hay un tercer LED que parpadea a 1Hz, indicando que el circuito está esperando a los jugadores aprieten sus pulsadores
En este vídeo de youtube se muestra el funcionamiento pedido
- Ejercicio 25.4 (5 Bitpoints). Ejercicio Libre. Premiar la creatividad. Entregar por redes sociales o github: Pantallazos, enlaces, vídeos, etc...
- Vídeo en Youtube:
- Otra versión, con bloques de la colección:
- Vídeo en Youtube:
- Vídeo en Youtube:
- Metrónomo
- Vídeo en Youtube:
- Vídeo en Youtube:
- Vídeo en Youtube:
- Vídeo en Youtube:
- Juan González-Gómez (Obijuan)
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Dibujo Diamante: Wikipedia
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Baliza luminosa: Icono diseñados por Freepik en www.flaticon.com. Licencia: Creative Commons BY 3.0
- Repositorio con las colecciones de la Academia Jedi de Hardware
- BricoGeek. Tienda Friki donde comprar componentes electrónicos
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- Documentación de la Icezum Alhambra: (PNG)(SVG)(PDF)
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- Qué es PWM y para qué sirve. Entrada en el bloq de Rincón Ingenieril
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- ¿Dónde puedo conseguir la placa Icezum Alhambra?
Pueden conseguir una desde Alhambrabits
-
¿Dónde puedo comprar material electrónico?. Hay muchos sitios. Uno muy bueno es Bricogeek
-
¿Cómo aprendo a manejar github?
Hay mucha información en internet. En su momento hice este Tutorial: Github y FreeCAD para enseñar a manejarlo. Los ejemplos están hechos con ficheros de FreeCAD, sin embargo, lo que se enseña es genérico. También vale para las entregas de los ejercicios del tutorial de Electrónica digital para makers
- Los pulsadores de la Icezum Alhambra no me funcionan
Eso es debido a que se han metido restos de flux y no hacen buen contacto. En el apartado ¡No me funcionan los pulsadores! del Tutorial 9 se indica cómo solucionarlo fácilmente
- ¿Dónde puedo encontrar más información sobre las señales PWM?
Echa un vistazo a este post de Rincón Ingenieril sobre el tema
- He conectado un pulsador externo pero no me funciona. He hecho un circuito para conectar el botón con un led, y al apretar se enciende el LED, pero luego no se apaga. NO funciona bien
Los pulsadores externos que se conecten a los pines de 5v de la Alhambra (D0 - D13) tiene que llevar una resistencia de pull-up o pull-down con valores entre 460 ohm y 2K. Típicamente usamos 1K. Esto hace que los conversores de nivel se configuren como entradas y que el pulsador funcione correctamente. Puedes encontrar más información En este enlace
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¿Donde puedo conseguir el switch que habéis usado en la PCBprint Alhambra switch? Es el mismo switch que se ha usado en la propio Icezum Alhambra (aunque la versión sin acodar). Los fabricantes los puedes encontrar en la lista de componentes de la propia icezum Alhambra. La referencia del componente en concreto es esta: Slide Switch, SPDT, On-On, Through Hole, WS-SLTV Series, 500 mA. Yo te recomiendo que uses la PCBprint de Diego Lale, que usa interruptores que puedes conseguir en Bricogeek: Mini-interruptor de 3 pines
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¿Dónde puedo conseguir el servo de rotación continua SM-4303R?
Es un servo muy usado y muy estándar. Si buscar por internet encontrarás muchos sitios donde los vendes, a diferentes precios. Aquí en España se puede conseguir muy fácilmente a través de BricoGeek: Servo SM-4303R Bricogeek y también en Iberobotics: Servo SM-4303R Iberobotics
- Parece ser que los servos Futaba 3003 se pueden trucar para convertirlos en rotación continua. ¿Conoces algún tutorial sobre como hacerlo?
El Futaba 3003 es uno de los servos que típicamente se han trucado para construir robots móviles con ellos. Robots como Tritt, El Skybot o el Miniskybot los utilizan. Existen muchísimos tutoriales para hacerlo. En esta página puedes encontrar todas las formas de trucarlos. El que recomendamos es el caso 2
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Ya tengo varios PCBprints impresos (de los LEDs y los pulsadores. ¿Dónde podría conseguir los cables que usas para conectarlos directamente a la Icezum Alhambra?
Son cables hembra-hembra de tres hilos. Como son los mismos que se usan para la conexión de servos, los puedes encontrar en tiendas donde vendan cualquier tipo de servo. Por ejemplo:
- En Pololu: https://www.pololu.com/product/779
- En hobby king: https://hobbyking.com/en_us/10cm-female-to-female-servo-lead-jr-26awg-10pcs-set.html?___store=en_us
También se pueden usar cables hembra-hembra aislados. A partir de ellos es muy fácil trenzarlos y hacerte tu propio cable de 3 pines:
- Adafruit: https://www.adafruit.com/product/266
- En Bricogeek: http://tienda.bricogeek.com/cables/585-set-de-cables-h-h-10-unid.html
- En Iberobotics: Aquí también tienen los hembra-hembra: https://www.iberobotics.com/comprar/electronica-componentes/cables-y-conectores/ Es otra tienda española que está en Santander