Electrónica y programación para Microcontroladores.

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Arduino

En los cultivos hidropónicos independientemente del sistema que se elija (NFT, Mixto, etc) el control de la bomba para la solución nutritiva es de vital importancia. 
En el siguiente ejemplo tenemos un Arduino Nano controlando el tiempo de apagado y funcionamiento de una bomba que impulsa los nutrientes por los tubos del sistema hidropónico.

 El sistema propuesto puede temporizar tanto el tiempo de funcionamiento como el de apagado en un rango que va desde 1 a 50 minutos. También tiene arranque y parada manual de la bomba y la visualización de temperatura de la solución nutritiva mediante un sensor DS18B20.
Las variables ambientales se obtienen con un sensor DHT22. El sistema almacena en memoria EEPROM los datos de tiempos de funcionamiento por lo que si todo el sistema se apaga, al encenderlo nuevamente el controlador retoma su tarea con los tiempos previstos.
El código completo para obtener los resultados como los mostrados en la imagen es el siguiente:

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** Descripción: Control de un sistema de bomba para hidroponia con
**              lectura de temperatura de la solución nutritiva y
**              condiciones ambientales como temperatura y humedad
**              Sensor DS18B20 conectado en pin 10 y DHT22 en pin 9
**              Botones de arranque/parada manual conectados en pines 
**              3 y 4. 
**              Boton de programación de tiempos en pin 2
**   Placa Arduino: NANO
**   Arduino IDE: 1.8.15
**   
**   www.firtec.com.ar
*******************************************************************/
#include <DHT.h>
#define DHTTYPE DHT22     // Tipo de sensor
#include <EEPROM.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
#include <OneWire.h>
#include <avr/wdt.h>
#include <DallasTemperature.h>
 
void Temperatura_Nutriente(void);  // Función para medir la temperatura 
void Programar_Tiempo(void);       // Función para los tiempos de la bomba
void Potenciometro(void);          // Función para ajustar los minutos de trabajo
void Pantalla(void);               // Función para mostrar los textos en pantalla
void Sensor_DHT22(void);           // Lee temperatura y humedad ambiente
 
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,20,4);
#define prog 2                  // Boton de programacion para el tiempo de bomba
#define arranque_manual 3      // Boton para el arranque manual de la bomba
#define parada_manual 4        // Boton para la parada manual de la bomba
#define relay_bomba 5           // Salida para activar/desactivar bomba de nutrientes
#define alarma_temperatura 18   // LED para indicar alarma de temperatura
#define calefactor 17           // Pin para activar/desactivar el calefactor 
 
OneWire UnWire(10);             // Sensor DS18B20 conectado en el pin 10
DallasTemperature sensor(&UnWire);
DHT dht(9, DHT22); // Instancia del sensor conectado en el pin 9
 
byte minutos = 0, segundos = 0, estado = 0;
byte tiempo_boton = 0; // Tiempo de espera para entrar en modo programacion
byte tiempo_funcionamiento = 10; // Valor por defecto si no hay nada previo
byte tiempo_apagado = 10;        // Valor por defecto si no hay nada previo
char buffer[5] = " ";            // Manejo de datos a ASCII para el LCD
unsigned int M0 = 0;             // Variable usada en el conversor
volatile bool flag_bomba = false; // Variable para avisar que ha pasado un segundo
bool estado_bomba = false;
bool flag_prog = false;
bool programando = false;
unsigned int dir_ep = 0;      // Variable para contener la dirección EEPROM donde se guarda los valores
double temp;         // Variable para contener la temperatura
float t;
float h;
static char Temperatura[5]="";
static char Humedad[5]="";
 
 
/******************* FUNCIÓN PARA ESCALAR EL CONVERSOR A/D ********************
** Potenciometro conectado en el Canal A0
******************************************************************************/
long map(long x, long in_min, long in_max, long out_min, long out_max){
  return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min;
}
 
/******************* FUNCIÓN DE CONFIGURACIÓN GENERAL ************************
** Configura las condiciones de arranque y Hardware.
******************************************************************************/
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(A0, INPUT);
  pinMode(alarma_temperatura, OUTPUT);
  digitalWrite(alarma_temperatura, LOW); 
  pinMode(calefactor, OUTPUT);  // Pin para activar/desactivar el calefactor 
  digitalWrite(calefactor, LOW); // Pin normal
  //digitalWrite(calefactor, HIGH);  // Pin invertido
  pinMode(relay_bomba, OUTPUT);
  digitalWrite(relay_bomba, LOW); // Pin normal
  //digitalWrite(relay_bomba, HIGH);  // Pin invertido
  pinMode(prog,INPUT_PULLUP); 
  pinMode(arranque_manual,INPUT_PULLUP); // Configura el pin de arranque manual de la bomba
  pinMode(parada_manual,INPUT_PULLUP); // Configura el pin de parada manual de la bomba
  noInterrupts(); 
  TCCR1A = 0;                // El registro de control A queda todo en 0
  TCCR1B = 0;                //limpia registrador
  TCNT1  = 0;                //Inicializa el temporizador
  OCR1A = 0x3D09;            // Carga el registrador de comparación: 16MHz/1024/1Hz = 15625 = 0X3D09
  TCCR1B |= (1 << WGM12)|(1<<CS10)|(1 << CS12);   // modo CTC, prescaler de 1024: CS12 = 1 e CS10 = 1  
  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);  // habilita interrupción por igualdade de comparación
  TIMSK1 |= (1 << TOIE1);   // enable timer overflow interrupt
  interrupts();             // enable all interrupts
  if(EEPROM.read(dir_ep) > 50){  // Recupera de memoria el ultimo tiempo de encendido
    tiempo_funcionamiento = 10;  // Si no es valido asigna uno por defecto 10 minutos
  }
  else
    tiempo_funcionamiento = EEPROM.read(dir_ep);
  
  if(EEPROM.read(dir_ep + 1) > 50){ // Recupera de memoria el ultimo tiempo de parada
    tiempo_apagado = 10;            // Si no es valido asigna uno por defecto 10 minutos
  }
  else
    tiempo_apagado = EEPROM.read(dir_ep + 1);
  lcd.init();                      
  lcd.backlight();
  dht.begin();
  Pantalla();
  wdt_disable();
  wdt_enable(WDTO_4S);
 
}
/******************* BUCLE PRINCIPAL DE PROGRAMA *****************************
** Verifica botones, sensor de temperatura y control general del programa.
******************************************************************************/
void loop() {
  wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
  Sensor_DHT22();
//********* VERIFICA LOS BOTONES DE CONTROL MANUAL DE BOMBA*********************** 
  if (digitalRead(arranque_manual) == LOW & programando == false){
     segundos = 0;
     minutos = 0;                     // Borrar minutos para nueva cuenta
     digitalWrite(relay_bomba, HIGH); // Activar la bomba de nutrientes (normal)
     //digitalWrite(relay_bomba, LOW);    // Activar la bomba de nutrientes (invertido)
     estado_bomba = true;             // Avisar que la bomba esta funcionando
     lcd.setCursor(6,2); 
     if(programando == false)
         lcd.print("SI");   // Mostrar cartel del estado de la bomba
  }
 if (digitalRead(parada_manual) == LOW & programando == false){
     segundos = 0;
     minutos = 0;                     // Borrar minutos para nueva cuenta
     digitalWrite(relay_bomba, LOW); // Activar la bomba de nutrientes (normal)
     //digitalWrite(relay_bomba, HIGH);  // Activar la bomba de nutrientes (invertido)
     estado_bomba = false;           // Avisar que la bomba esta funcionando
     lcd.setCursor(6,2);
     if(programando == false) 
          lcd.print("NO");  // Mostrar cartel del estado de la bomba
  }
  if(programando == false)
      Temperatura_Nutriente();  // Mide la temperatura de solución de nutrientes
  wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
 //********* CONTROL DE LA BOMBA DE NUTRIENTES ****************************  
  if(flag_bomba == true){           // Temporizador avisa que ya paso un segundo
    if (digitalRead(prog) == LOW){  // El boton de programación esta activado?
     tiempo_boton++;                // Incrementar el tiempo de control
     flag_prog = true;              // Avisar que el boton esta apretado
     if(tiempo_boton == 5 & digitalRead(prog) == LOW){ // Pasaron 5 segundos con el boton apretado?
        Programar_Tiempo();  // Programa tiempo de funcionamiento de la bomba
     }
    }
    if (digitalRead(prog)){ // El botón de programación se soltó?
      tiempo_boton =0;      // Ignorar todos los pasos anteriores!!
      flag_prog = false;    // Borrar bandera de programación.
    }
    segundos++;           // Incrementa los segundos
    if(segundos == 59){   // La cuenta llego al minutos?
      segundos = 0;       // Borra segundos para nueva cuenta
      minutos++;          // Incrementa los minutos    
      wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
    }
    if(minutos == tiempo_apagado & estado_bomba == false){ // Se cumplió el tiempo de apagado?
      minutos = 0;                     // Borrar minutos para nueva cuenta
      digitalWrite(relay_bomba, HIGH); // Activar la bomba de nutrientes (normal)
      //digitalWrite(relay_bomba, LOW);    // Activar la bomba de nutrientes (invertido)
      estado_bomba = true;             // Avisar que la bomba está funcionando  
      lcd.setCursor(6,2);
      if(programando == false) 
            lcd.print("SI");  // Mostrar cartel del estado de la bomba
      wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
    } 
    if(minutos == tiempo_funcionamiento & estado_bomba == true){  // Se cumplió el tiempo de funcionamiento? 
      minutos = 0;    // Borrar los minutos para nueva cuenta
      digitalWrite(relay_bomba, LOW);  // Apagar la bomba de nutrientes (normal)
      //digitalWrite(relay_bomba, HIGH);   // Apagar la bomba de nutrientes (invertido)
      estado_bomba = false;       // Avisar que la bomba está apagada
      lcd.setCursor(6,2); 
      if(programando == false)
            lcd.print("NO"); // Mostrar cartel del estado de la bomba
      wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
    }    
    wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
    flag_bomba = false; // Borra bandera de INTE
  }
}
/******************* INTERRUPCION POR CADA SEGUNDO ********************
** Ciclo de interrupción: 1 segundo
***********************************************************************/
ISR(TIMER1_COMPA_vect)          
{
   flag_bomba = true;   // Bandera para controlar los segundos
}
 
/****** MIDE LA TEMPERATURA DE LA SOLUCIÓN NUTRIENTE *******************
** Sensor: DS18B20
** Alarma Max/Min: 18 grados y 35 grados
** Calefactor: SI por debajo de 16 grados NO por encima de 14 grados
************************************************************************/
void Temperatura_Nutriente(){
  wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
  sensor.requestTemperatures();
  temp = sensor.getTempCByIndex(0);
  dtostrf(temp, 2, 0, buffer);
  lcd.setCursor(5, 1);
  lcd.print(buffer);
  lcd.print((char)223);
  wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog     
}
/****** PROGRAMA EL TIEMPO DE FUNCIONAMIENTO DE LA BOMBA****************
** Sensor: 
** Tiempo Max/Min: 1 minutos y 50 minutos
************************************************************************/
void Programar_Tiempo(void){
  byte contador = 0;
  bool bandera = false;
  programando = true;
  digitalWrite(alarma_temperatura, LOW); // Apagar indicador de alarma
  digitalWrite(relay_bomba, LOW); // Apagar la bomba de nutrientes (normal)
  //digitalWrite(relay_bomba, HIGH);  // Apagar la bomba de nutrientes (invertido)
  lcd.clear();
  lcd.setCursor(0,0); 
  lcd.print("TIEMPO DE ENCENDIDO");  
  lcd.setCursor(0,1); 
  lcd.print("Minutos:--"); 
 m1:
 if (digitalRead(prog)== LOW){
    wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
    delayMicroseconds(50);
    goto m1;
    }
 m2:
  if (digitalRead(prog)== HIGH){
    Potenciometro();
    wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
    lcd.setCursor(8, 1);
    lcd.print(buffer);
    goto m2;
    }
  if (digitalRead(prog)== LOW){
    tiempo_funcionamiento = M0;
    EEPROM.write(dir_ep, M0);  // Salva el valor de funcionamiento en EEPROM
    wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
    }
 m3:
 if (digitalRead(prog)== LOW){
    wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
    delayMicroseconds(50);
    goto m3;
    }
  lcd.setCursor(0,0); 
  lcd.print("TIEMPO DE APAGADO");  
 m4:
 if (digitalRead(prog)== LOW){
    wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
    delayMicroseconds(50);
    goto m4;
    }
 m5:
  if (digitalRead(prog)== HIGH){
    Potenciometro();
    wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
    lcd.setCursor(8, 1);
    lcd.print(buffer);
    goto m5;
    }
  if (digitalRead(prog)== LOW){
    tiempo_apagado = M0;
    EEPROM.write(dir_ep + 1, M0);   // Salva el valor de apagado en EEPROM
    wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
    }
 m6:
 if (digitalRead(prog)== LOW){
    wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
    delayMicroseconds(50);
    goto m6;
    }
  Pantalla();
  programando = false;    
}
/****** OBTIENE UN NÚMEROENTRE 1 Y 50 PARA CONFIGURAR LOS MINUTOS ******
** Sensor: 
** Tiempo Max/Min: 1 minutos y 50 minutos
************************************************************************/
void Potenciometro(void){
byte muestras=0;
unsigned int M1=0;
do{ 
  M1 += analogRead(A0);    // Lee el A/D y acumula el dato en M1
  muestras++;         // Incrementa el contador de muestras
  wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
}while(muestras <=49);  
  M0 = M1/50;
  M0 = map(M0, 0, 1023, 1, 50);  // Escalar lectura para minutos de 1 a 50
  dtostrf(M0, 2, 0, buffer);    // Preparar el dato para el LCD
  muestras =0;
  M1 = 0;
}
/************* FUNCIÓN PARA MOSTRAR LOS TEXTOS EN PANTALLA*************
** 
***********************************************************************/
void Pantalla(void){
  wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
  lcd.clear();
  lcd.setCursor(0,1); 
  lcd.print("Temp:   ");
  lcd.setCursor(0,3); 
  lcd.print("Activa: ");
  lcd.setCursor(7,3); 
  lcd.print(tiempo_funcionamiento);
  lcd.setCursor(12,3); 
  lcd.print("Apaga:");
  lcd.setCursor(18,3); 
  lcd.print(tiempo_apagado);
  lcd.setCursor(0,2); 
  lcd.print("Bomba:NO");
  lcd.setCursor(11,0); 
  lcd.print("Ambiente");
  lcd.setCursor(10,1); 
  lcd.print("Temp:");
  lcd.setCursor(10,2); 
  lcd.print("Hum:");
  lcd.setCursor(0,0); 
  lcd.print(" Solucion");
  lcd.setCursor(10,3); 
  lcd.print("~");
}
/*********** FUNCIÓN PARA LEER LAS VARIABLES ATMOSFERICAS *************
** 
***********************************************************************/
void Sensor_DHT22(void){
  t = dht.readTemperature(); // Lee sensor temperatura
  h = dht.readHumidity();  // Lee sensor humedad
  
  if (isnan(h) || isnan(t)) { // Verifica si error de lectura
              lcd.setCursor(14,1);
              lcd.print("Error");
              lcd.setCursor(14,2);
              lcd.print("Error");  
              }
            else{ // No hay error, procesa los datos
              
   dtostrf(t, 4, 1, Temperatura); // Procesa la temperatura 
   dtostrf(h, 4, 1, Humedad);     // Procesa la humedad
   lcd.setCursor(15,1);
   lcd.print(Temperatura);  // Muestra la temperatura
   lcd.print((char)223);
   lcd.setCursor(15,2);
   lcd.print(Humedad);    // Muestra la humedad
   lcd.print("%");
  
   }
 } 
 
//*************** Fin del archivo Firtec Argentina ********************

[MATERIAL EXTRAÍDO DE NUESTRO CURSO PARA ARDUINO]

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Medidor de PH con pantalla gráfica JLX12864.

La Pantalla LCD 128x64 JLX12864G-086 es una una estupenda pantalla con pines para una interfaz SPI.
Este modelo cuenta con un regulador de voltaje integrado lo que permite conectarla directamente a 5 Voltios.
La pantalla LCD 128x64 JLX12864G-086 es una gran opción para ser utilizada en lugar de la pantalla del Nokia 5110.
Entre sus principales características destaca su diseño sencillo, compacto y estando integrado en una placa que dispone de 4 perforaciones para su fijación, con todos los componentes necesarios para su funcionamiento.
Dispone de LED (backlight) que facilita la visualización de datos, contribuyendo así a la mejora de los proyectos realizados por los diseñadores. Para poder usar esta pantalla necesitamos la biblioteca U8glib que se puede descargar de distintos lugares en Internet y tenemos las siguientes conexiones para este ejemplo.
CS :   8

RST : 9
RS :   10
SPI_SDA : 18 
SPI_SCK : 19
VDD :   3v3 
LEDA : 5v  

También vamos a usar el sensor PHE201 - BNC y la interfaz PL4502 para vincular este sensor a una placa Arduino. 
Recordemos que el pH es una medida de acidez o alcalinidad de una disolución, la escala de pH varía de 0 a 14. 
El pH indica la concentración de iones hidrógeno [H]+ presentes en determinadas disoluciones. Se puede cuantificar de forma precisa mediante un sensor que mide la diferencia de potencial entre dos electrodos, un electrodo de referencia (de plata/cloruro de plata) y un electrodo de vidrio que es sensible al ion de hidrógeno.
Esto es lo que formará la sonda PHE201, la interfaz PL4502 es el circuito electrónico para acondicionar la señal y poder conectarla a un microcontrolador como Arduino.
Los sensores para medir ph son delicados (además de costosos) es por esto que debemos tener especial cuidado al usarlos y sobre todo cuando dejamos de usarlos asegurar que la sonda de vidrio este correctamente limpia con agua destilada.
Si bien este sensor no califica como un sensor "profesional" su precisión en la medición no le envidia nada a un sensor de laboratorio. Si lo vamos a usar de manera continua, por ejemplo sumergido constantemente en el agua de un acuario la vida útil del electrodo sera de unos cuatro años.
Para conectarnos con el microcontrolador la interfaz ofrece los siguientes pines de control:

  • To: Temperatura.
  • Do: Señal del limite de ph
  • Po: Valor de ph en voltios (conectado A0 en el ejemplo)
  • G:  Masa del circuito analogico.
  • G:  Masa del circuito digital.
  • V+: Alimentación de 5V.

La interfaz que vincula el sensor al Arduino tiene dos pre-set, el que esta mas próximo al conector BNC será el que se usa para calibrar el sensor (no viene calibrado). La medición del sensor es lineal y para ajustarlo necesitamos dos buffers que generalmente vienen con el propio sensor, uno de ph 4.01 y otro de ph 6.86. 
Considerando que el sensor es lineal con estos dos buffers podemos usar un poco de matemática para convertir el voltaje medido en cada uno de estos dos puntos de ph.
La formula general sería A = MX + B, por lo que tenemos tenemos que calcular M y B ya que X sería el voltaje y  A el ph.
El resultado es  A = -5.70x + 21.34, en nuestro caso usamos un medidor de ph comercial para ajustar el sensor bajo prueba.

Como se puede ver en la imagen la exactitud del sensor respecto de uno comercial es muy buena, en realidad la única diferencia que encontramos de este sensor con sus referentes comerciales es la duración en un uso intensivo y continuo.
Otra cosa a tener en cuenta es que es recomendable montar la interfaz de tal forma de tener acceso al pre-set de calibración ya que si el sensor pasa mucho tiempo sin uso seguramente sera necesario hacer algún ajuste de calibración par volver a usarlo.
El segundo pre-set sirve para fijar el umbral de disparo de una alarma a un determinado nivel de ph, la interfaz tiene dos led's, uno verde que indica que está funcionando y uno rojo para avisar el disparo de la alarma de ph.
El resultado mostrado en la imagen anterior se obtuvo con el siguiente código:

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/********************************************************************
 * Descripción: Medición del PH con sensor PHE201 + Interfaz PL4502.
 *              Datos mostrados en pantalla LCD JLX12864G.           
 * Placa Arduino: NANO
 * Arduino IDE: 1.8.15
 *
 * www.firtec.com.ar
********************************************************************/
#include "U8glib.h"  // Biblioteca para el control de pantalla
const int analogInPin = A0; 
int sensorValue = 0; 
unsigned long int conversor; 
float b;
int buf[10],temp;
char buffer[20] = "0";
U8GLIB_NHD_C12864 u8g(19, 18, 8, 10, 9);    // Arduino NANO
//U8GLIB_NHD_C12864 u8g(13, 11, 8, 10, 9);  // Arduino UNO 
 
void Medir_PH(void);
 
void draw(void) {
  u8g.setFont(u8g_font_10x20r);
  u8g.drawStr( 8, 17, "Nivel de PH");
  u8g.drawHLine(0,0, 128);    // Linea horizontal superior
  u8g.drawHLine(0,63, 128);   // Linea horizontal inferior
  u8g.drawVLine(0, 1, 64);    // Linea vertical izquierda
  u8g.drawVLine(127, 1, 64);  // Linea vertical derecha
  u8g.setFont(u8g_font_6x12);
  u8g.setFont(u8g_font_osb21);
  u8g.drawStr( 43, 46, buffer);
  u8g.setFont(u8g_font_6x12r);
  u8g.drawStr(10, 60, "Control Hidroponia");
}
/************************************************
**  Configuración del hardware
************************************************/
void setup(void) {
  u8g.setContrast(0); // Configura el contraste
  u8g.setRot180();    // Rota la pantalla (si fuera necesario)
}
/************************************************
**  Bucle principal del programa
************************************************/
void loop(void) {
  u8g.firstPage();  // Muestra la pagina principal
  do {
    draw();
  } 
  while( u8g.nextPage() );
  Medir_PH();       // Obtiene el valor del PH
}
/************************************************
**  Función encargada de medir el PH
**  Sensor:   PHE201 - BNC
**  Inerface: PL4502
************************************************/
void Medir_PH(void){
   for(int i=0;i<10;i++) 
 { 
  buf[i]=analogRead(analogInPin);
  delay(10);
 }
 for(int i=0;i<9;i++)
 {
  for(int j=i+1;j<10;j++)
  {
   if(buf[i]>buf[j])
   {
    temp=buf[i];
    buf[i]=buf[j];
    buf[j]=temp;
   }
  }
 }
 conversor=0;
 for(int i=2;i<8;i++)
 conversor+=buf[i];
 float pHVol=(float)conversor*5.0/1024/6;
 float Valor_PH = -5.70 * pHVol + 21.34;
 dtostrf(Valor_PH, 1, 1, buffer);
 delay(100);
}
//*************** Fin del archivo Firtec Argentina ********************

El código en si es bastante simple quedando bajo el control de la correspondiente biblioteca todo el control de la pantalla LCD.
Desde este link podemos ver como configurar muchas otras fuentes para mostrar los mensajes, también en este otro link tenemos información de otras funciones de la biblioteca U8glib.

[MATERIAL EXTRAÍDO DE NUESTRO CURSO PARA ARDUINO]

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Una de las grandes diferencias del microcontrolador RP2040 usado en Raspberry PI PICO con cualquier otro controlador, son los bloques PIO, esta serie de microcontroladores esclavos de los dos ARM Cortex M0 integrados que forman su CPU de doble núcleo. Son ocho máquinas de estado que están dedicadas al control de los pines GPIO con independencia total de los núcleos Cortex y que pueden ejecutar sus propios programas para entregar o recibir datos al la CPU.

Estas máquinas de estado están separadas en dos bloques de cuatro máquinas por bloque. Estas máquinas de estados son como procesadores elementales que pueden manejar datos en los pines pero carecen de Unidad de Aritmética y Lógica (ULA) por lo que no pueden realizar operaciones matemáticas ni lógicas solo cuentas incrementales que se utilizan en los bucles.
Si bien el RP2040 puede funcionar a una frecuencia de reloj de 133 Mhz en Raspberry Pico su frecuencia de trabajo máxima es 125 Mhz.
Cada una de estas máquinas puede funcionar a una frecuencia de reloj que se pude configurar con un pre-divisor del reloj principal, el ajuste de frecuencia admite un rango que va desde 1998 Hz (Se toma como frecuencia mas baja 2Khz) a 125.000.000 Hz.
Este rango de frecuencia se obtiene dividiendo el reloj principal (125 Mhz) por un entero de 16 bits.
Cada bloque PIO se identifican como pio 0 y pio 1 y se programan con un tipo particular de ensamblador que solo tiene nueve comandos por lo que a pesar de se ensamblador no resulta tan complejo.
Los PIO son muy útiles cuando necesitamos desarrollar protocolos de comunicación especiales, en la mayoría de los microcontroladores, para implementar un protocolo que no esté soportado por hardware se necesita programar el protocolo y procesar la información bit por bit (lo que se conoce como bit-banging). Esta técnica presenta varios problemas por ejemplo la sincronización de los datos y el uso del procesador principal.
Para cada máquina existe un registro FIFO de entrada y uno de salida, estos FIFO pueden manejar solo cuatro palabras de 32 bits. También hay en cada máquina dos registros de propósitos generales llamados X, Y de 32 bits cada uno.

Como se dijo, cada PIO tiene nueve instrucciones todas se ejecutan en un ciclo de CPU, que les permite realizar diversas tareas de forma simultánea al procesador principal.

  • IN Desplaza bits al registro de entrada
  • OUT Desplaza bits desde el registro de salida a donde se necesite
  • PUSH Envía datos al FIFO RX
  • PULL Envía datos al FIFO TX
  • MOV Mueve datos desde un origen a un destino especificado
  • IRQ Activa o desactiva la bandera de interrupción
  • SET Escribe datos a un destino
  • WAIT Pausa hasta que una acción en particular ocurra
  • JMP Se mueve a un punto diferente del código

La memoria de instrucciones del PIO pude contener hasta 32 comandos y cada máquina tiene un banco con ocho banderas de interrupción que se pueden usar para sincronizar las máquinas entre si o informar a la CPU que hay datos para tratar.
Cada máquina tiene su propio contador de programa (PC) por lo tanto cada una puede ejecutar su propio programa independiente de otra máquina.
Sin embargo, las cuatro máquinas de estado deben usar la memoria de instrucciones compartidas para su programa PIO que puede almacenar hasta 32 instrucciones.
Entonces
se podrían escribir cuatro programas separados para esas cuatro máquinas de estado, siempre que el número total de instrucciones no exceda los 32 posibles. Esos programas se ejecutarán independientemente entre sí, solo sincronizados por el reloj del sistema principal que se pueden dividir individualmente para cada máquina de estado.
Un ejemplo de uso podría ser una rutina que recibe datos seriales por dos pines y transfiera a la CPU los caracteres recibidos.
La siguiente función hace eso sin intervención de ninguna biblioteca y evita tener que estar consultando constantemente el registro de recepción de la UART.

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def uart_rx():
    label("inicio") # Rótulo para marcar el inicio
    wait(0, pin, 0) # Espera por el bit de inicio (pin a nivel bajo el tiempo de un bit)
    # Carga el registro x con la cantidad de bits desde el primer bit de datos y espera
    # 10 ciclos + wait + set 12 ciclos. (12*13uS = 156uS)
    set(x, 7)                 [10]
    label("bit_bucle")	# Rótulo para el inicio del bucle contador de bits
    in_(pins, 1)  	# Desplaza un bit desde el pin 3 RX al registro de desplazamiento
    			# Cada bucle toma 8 ciclos, 6 + dec + jmp = 8 (8*13uS = 104uS)
    jmp(x_dec, "bit_bucle")     [6]
    jmp(pin, "terminado")  # Si el pin esta a nivel alto llegó el bit de STOP todo ha salido bien!!
    			# OPSS!! Si el programa pasa por este punto algo salió mal
    irq(block, 4)      	# Coloca bandera para avisar que los datos del FIFO no son válidos
    wait(1, pin, 0) 	# Espera que el pin de datos este bajo
    jmp("inicio") 	# No hacer nada y retorna al inicio
    label("terminado") 	# Rótulo final, todo ha salido bien y se ha recibido un carácter!!
    push(block)		# Colocar el contenido del registro FIFO en el registro de salida para procesarlo

El ejemplo supone que se ha fijado el reloj de la máquina de estado a una frecuencia de 76800 Hz con tiempo de CPU de 13uS. Las comunicaciones se han fijado a 9600 baudios con un tiempo de bits de 104.1 uS.

(Material extraído de nuestro curso para MicroPython).

 

Las semillas necesitan tener condiciones propicias para germinar y una de ellas es la temperatura, por eso si queremos adelantar la época de siembra para adelantar los cultivos unos meses será necesario proporcionar la temperatura adecuada.  
Un semillero de cama caliente no es mas que un semillero al cual le estamos añadiendo un componente que haga que suba la temperatura ambiente y así nuestra semilla pueda germinar, casos como por ejemplo los tomates o los pimientos son plantas que sin una temperatura de unos 20ºC o 25ºC no germinarían.
Con este proyecto podemos construir semillero de cama caliente con un costo muy económico. 
Para esto solo necesitaremos una bandeja de plástico algo gruesa no muy profunda, un cable calefactor, un poco de arena, piedra sanitaria para gatos y un poco de electrónica.

Caja de plástico con el cable calefactor instalado.

En el fondo de la caja colocamos un colchón de arena para que el cable no este en contacto directo con la caja de plástico, luego cubrimos la arena con una fina capa de piedras sanitarias para gatos, esto por si algo de agua de las bandejas de germinación se filtra al sustrato.

Piedras sanitarias sobre la capa de arena.

Para contener la electrónica se usó una caja estanca que se adosó a la caja que contiene las bandejas de cultivo.

Caja conteniendo toda la electrónica.

El sistema de control está compuesto por un Arduino NANO que ejecuta un programa PID para controlar un contactor de estado solido opto-acoplado.
La caja de control se comunica mediante un enlace Bluetooth a un móvil donde envía la temperatura del sustrato y la potencia aplicada al cable calefactor. (Se puede usar cualquier aplicación para visualizar los datos enviados).
El código para Arduino es el siguiente.

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   Descripción: Ejemplo para PID usando las bibliotecas de Arduino
                El objetivo es mantener la temperatura dentro de una
                caja de acuerdo al valor de un Set Point.
                El sensor usado es un DS18B20 conectado en el pin 10 
                y la salida para el control PID en el pin 3 (PWM).
                El envío de datos se hace mediante un enlace Bluetooth
                Kp, Ki y Kd se ajustan de manera experimental.
 
   Placa Arduino: NANO
   Arduino IDE: 1.8.13
   www.firtec.com.ar
************************************************************************************/
#include <PID_v1.h>
#include <OneWire.h>
#include <avr/wdt.h>
#include <DallasTemperature.h>
#include <SoftwareSerial.h>
#define ledPin 13   
#define alarma 14   
SoftwareSerial mySerial(11, 12); 
 
OneWire UnWire(10);
DallasTemperature sensor(&UnWire);
byte retardo = 0;   // Usado para enviar datos por Bluetooth cada 5 segundos
int salidaPWM = 3;  					// Salida de señal PWM
double temp, error, Setpoint, Output; 	// Variables del PID
double Kp = 7, Ki = 8.5, Kd = 4.5; 		// Ajustes empírico del PID
byte potencia;
char buffer[10] = "";
volatile bool flag_txt = false;
PID myPID(&temp, &Output, &Setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT);
 
long map(long x, long in_min, long in_max, long out_min, long out_max){
  return (x - in_min) * (out_max - out_min) / (in_max - in_min) + out_min;
}
 
void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
  pinMode(alarma, OUTPUT);
  digitalWrite(alarma, LOW); 
  noInterrupts(); 
  TCCR1A = 0;                // El registro de control A queda todo en 0
  TCCR1B = 0;                // limpia registrador
  TCNT1  = 0;                // Inicialíza el temporizador
  OCR1A = 0x3D09;            // Carga el registrador de comparación: 16MHz/1024/1Hz = 15625 = 0X3D09
  TCCR1B |= (1 << WGM12)|(1<<CS10)|(1 << CS12);   // Modo CTC, prescaler de 1024: CS12 = 1 e CS10 = 1  
  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A);  // Habilita interrupción por igualdad de comparación
  TIMSK1 |= (1 << TOIE1);   
  interrupts();             
  mySerial.begin(9600);
  pinMode(salidaPWM, OUTPUT);  
  Setpoint = 30;
  myPID.SetMode(AUTOMATIC); // Configura y activa PID
  myPID.SetOutputLimits(0, 255);
  wdt_disable();
  wdt_enable(WDTO_4S);
 
}
void loop() {
  wdt_reset(); // Borra el contador del wachdog
  sensor.requestTemperatures();
  temp = sensor.getTempCByIndex(0);
  myPID.Compute(); // Calcula salida PWM
  analogWrite(salidaPWM, Output);
  dtostrf(temp, 2, 1, buffer);
  if((temp < 28) | (temp > 32)) // Alarma por debajo de 28 o superior a 32
    digitalWrite(alarma, HIGH); 
  else
    digitalWrite(alarma, LOW); 
  potencia = map(Output, 0, 255, 0, 100); // Escala la potencia del calefator
  if(flag_txt == true){
    retardo++;
    if(retardo == 5){   // Enviar datos por Bluetooth?
      mySerial.print("Temperatura Sustrato: ");
      mySerial.println(buffer);
      mySerial.print("Calefactor al ");
      mySerial.print(potencia);
      mySerial.println("%");
      retardo = 0;
      wdt_reset(); 		// Borra el contador del wachdog
    }
    wdt_reset(); 		// Borra el contador del wachdog
    flag_txt = false; 	// Borra bandera de INTE
  }
 
}
 
ISR(TIMER1_COMPA_vect) // Interrupción por igualdad de de comparación en TIMER1
{
   flag_txt = true;    // Bandera para controlar el Bluetooth
}

Placa Arduino montada en la caja estanca.

El sensor de temperatura es un DS18B20 conectado al pin 10 de Arduino, el sensor se coloca en algún punto alejado del cable calefactor para tener una medición mas exacta de la temperatura de todo el sustrato.
Para el control PID se utiliza una biblioteca que resuelve todos los enredos matemáticos del PID.
Para el control de potencia podemos usar un relay de estado sólido o un Triac y un opto-acoplador con detección de cruce por cero.


Relay de estado sólido usado en el ejemplo.

Con un sistema como el propuesto podemos realizar siembras de tomates, morrones, berenjenas, etc a mediados de Julio para tener plantines listo para el trasplante a fines de Septiembre y cosechar los primeros frutos al inicio de Diciembre.

También se puede agregar una iluminación adecuada para el crecimiento de plantas.

El funcionamiento del proyecto tiene un resultado excelente, probado en climas de Argentina.


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