Un microcontrolador, también conocido como computadora en chip, es un dispositivo electrónico perteneciente a la familia de las microcomputadoras. Se considera el cerebro de muchos productos electrónicos, y gracias a las placas de microcontroladores se ha simplificado el desarrollo de sistemas embebidos.
Si eres un entusiasta de la electricidad, un aficionado al bricolaje o un profesional, seguramente te has topado con una placa de microcontrolador. Estas placas se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos como robótica, domótica, instalaciones industriales, sistemas digitales, dispositivos sanitarios, dispositivos de agricultura inteligente, etc. En este artículo, exploraremos qué es una placa de microcontrolador, sus componentes clave y algunas placas de microcontrolador populares.
¿Qué es una placa de microcontrolador?
Un microcontrolador es una microcomputadora diseñada para realizar tareas específicas dentro de un sistema embebido. Un microcontrolador es un dispositivo monoencapsulado, lo que significa que consta de una unidad central de procesamiento (CPU), memoria de acceso aleatorio (RAM), memoria de solo lectura (ROM), puertos de E/S, registros de funciones especiales, temporizadores, oscilador de cristal, convertidor digital a analógico (DAC) y convertidor analógico a digital (ADC), todo en un solo chip.
Una placa de microcontrolador, por otro lado, es una placa de circuito que facilita el desarrollo de un sistema embebido. Consta de un microcontrolador, pines de E/S, una fuente de alimentación e interfaces de comunicación. Una placa de microcontrolador proporciona a los ingenieros de diseño una plataforma para escribir y probar código, lo que les permite verificar sus proyectos electrónicos antes de pasar a la fase de diseño del producto. La placa de microcontrolador también proporciona una plataforma para que los usuarios controlen sus dispositivos electrónicos en tiempo real, como sensores, motores, luces, robots, etc. Existen numerosas placas de microcontrolador disponibles según las necesidades del usuario, como Arduino UNO, ESP32, STM32 Nucleo y Raspberry Pi. A continuación se muestra un diagrama de bloques típico de un microcontrolador.
Componentes clave de una placa de microcontrolador
Una placa de microcontrolador es un paquete completo que ofrece una solución sencilla y práctica para diseñar proyectos electrónicos. Es un ecosistema completo que permite a los diseñadores diseñar, probar y validar sus proyectos electrónicos. Una placa de microcontrolador típica consta de los siguientes componentes clave.
1. Chip microcontrolador
Un chip microcontrolador funciona como el cerebro de la placa. El microcontrolador consta de una CPU, memoria flash, EEPROM, temporizadores, DAC y ADC. Es responsable de la comunicación entre la placa y el entorno físico, como sensores, motores, LED, etc. Al ejecutar o probar código, este se almacena en la memoria flash. Existen numerosos chips microcontroladores en el mercado, como el 8051, el PIC y el STM32.
2. Regulador de voltaje
Un microcontrolador funciona con una fuente de alimentación de 3.3 V. Una placa de microcontrolador cuenta con un regulador de voltaje que recibe la entrada del mundo exterior y la convierte en una tensión estable de 3.3 V para el chip del microcontrolador. La placa Arduino UNO acepta una entrada de 7-12 V y la convierte a 5 V (para la mayoría de las operaciones) y 3.3 V (para algunos periféricos).
3. Pines de E/S
Una placa de microcontrolador consta de varios pines de entrada/salida, conocidos como pines de E/S, que la conectan con dispositivos externos como sensores, motores, LED, transistores, etc. Estos pines de E/S se clasifican en pines de E/S digitales, pines de E/S analógicas y pines de Modulación por Ancho de Pulso (PWM). Cada categoría de pines tiene una función específica; por ejemplo, los pines de E/S digitales se utilizan para leer señales binarias (Alto = 3.3 V, Bajo = 0 V), y los pines de E/S analógicas se utilizan para leer valores analógicos en forma de niveles de voltaje, como los valores de los sensores de temperatura y humedad.
Estos valores analógicos se convierten a digitales mediante un convertidor analógico-digital (ADC) para que el microcontrolador pueda leerlos. De forma similar, los pines PWM se utilizan comúnmente para controlar la velocidad del motor o la luminosidad de la bombilla. La placa de desarrollo Arduino UNO consta de 14 pines de E/S digitales y 6 pines de E/S analógicas.
4. Puertos de comunicación
Una de las principales funciones de una placa de microcontrolador es la comunicación con dispositivos externos, como sensores y motores. Un microcontrolador se comunica con otros dispositivos mediante protocolos de comunicación serie. Estos protocolos son UART (Receptor/Transmisor Asíncrono Universal), SPI (Interfaz Periférica Serie) e I²C (Circuito Interintegrado).
La mayoría de los microcontroladores modernos incluyen los tres protocolos de comunicación. El diseñador decide qué protocolo de comunicación utilizar para cada proyecto electrónico. Cada protocolo de comunicación tiene características únicas, como el uso de UART para la comunicación punto a punto y SPI para la comunicación de alta velocidad. La placa de desarrollo Arduino UNO cuenta con una interfaz UART, una I₂C y una SPI.
5. Interfaz USB
Una placa de microcontrolador también cuenta con un puerto USB que permite al usuario cargar el programa en el microcontrolador o usarlo como terminal de depuración. Esto se realiza mediante el circuito integrado CH340 (convertidor USB-Serie) incluido en la placa de desarrollo.
6. Botón de reinicio
A veces, cuando la placa del microcontrolador se atasca y no responde, se usa el botón de reinicio para reiniciarlo. Esto es similar a reiniciar la computadora.
7 Conectores
En una placa de microcontrolador, se incluyen diferentes conectores y cabeceras macho/hembra, lo que facilita al diseñador conectar la placa a una placa de pruebas.
8. LED y botones
La mayoría de las placas de desarrollo de microcontroladores incluyen LED y botones de usuario para realizar pruebas y solucionar problemas rápidamente. Los LED se utilizan principalmente para fines de programación, como la conmutación, etc.
9. Oscilador de cristal
Las placas de microcontrolador vienen con un oscilador de cristal que proporciona el reloj del sistema.
¿Por qué utilizar una placa de microcontrolador?
Las placas de microcontroladores ofrecen una plataforma práctica para que los diseñadores prueben y validen sus diseños. Gracias a su facilidad de uso, se utilizan ampliamente con fines académicos y de prototipado. Son la mejor herramienta para que los estudiantes aprendan sistemas embebidos y para que los profesionales validen sus prototipos. En resumen, las placas de microcontroladores se utilizan ampliamente porque:
1. Fácil de usar:
El circuito externo ya está incluido en la placa de desarrollo, lo que facilita su uso. Se puede empezar a construir de inmediato.
2. Excelente para la creación de prototipos:
Es una opción popular para quienes desean validar su diseño sin fabricar una PCB personalizada. Además, reduce el costo de desarrollo del prototipo.
3. Fácil de programar:
Las placas de microcontroladores, incluida Arduino UNO, admiten programación de alto nivel como C y C++, lo que las convierte en una opción popular entre los desarrolladores de hardware y software integrados.
4. Acceso GPIO:
Las placas de microcontroladores facilitan el acceso a la entrada/salida de propósito general (GPIO) del chip. Estos pines pueden configurarse como E/S digitales, E/S analógicas y también para PWM.
5. Todo en un solo paquete:
Lo más sorprendente de las placas de microcontroladores es que ofrecen un paquete completo, que ofrece todo, como CPU, microcontrolador, pines IO, EEPROM, USB, etc., todo en una sola unidad.
Placas de microcontroladores populares
Diversas placas de microcontroladores son famosas por sus características únicas. Entre todas, las más populares son:
1. Arduino UNO
Arduino Uno es una de las placas de desarrollo más utilizadas y populares a nivel mundial. Arduino UNO es ideal para proyectos pequeños, sencillos y de bricolaje. Estas placas de desarrollo son utilizadas principalmente por principiantes, estudiantes y para la creación de prototipos. Consta de un chip microcontrolador Atmega 328, un cristal de 16 MHz, una interfaz USB, 16 pines de E/S digitales y 6 pines de E/S analógicas.
2. Raspberry Pi Pico
Raspberry Pi Pico es una placa de desarrollo avanzada que consta de un microcontrolador RP2040, 26 pines GPIO y 2 canales de comunicación para cada protocolo UART, I²C y SPI. También incluye un oscilador de cristal de 2 MHz. Esta placa de desarrollo es compatible con el lenguaje de programación C/C++.
3. ESP32
ESP32 es una placa de desarrollo de microcontroladores avanzada con un módulo WiFi integrado. Esta placa consta de un microcontrolador Xtensa compatible con una velocidad de reloj de 240 MHz. También cuenta con un módulo Bluetooth integrado y 34 pines GPIO disponibles para el usuario.
4. Núcleo STM 32
Las placas de desarrollo STM32 se utilizan para el desarrollo de proyectos electrónicos de alta gama, como automatización industrial y sistemas embebidos complejos. Esta placa de desarrollo no solo cuenta con 2 MB de memoria flash, sino que también es compatible con el protocolo de comunicación CAN.
Aplicaciones de las placas de microcontroladores en diferentes industrias
Las placas de microcontroladores se utilizan en casi todos los campos de la electrónica. Las principales áreas de aplicación son:
1. Electrónica de consumo:
En casi todos los dispositivos electrónicos de consumo, incluidos hornos microondas, televisores inteligentes, gadgets y controles remotos, se utilizan placas de microcontroladores.
2. Sector Salud:
Diversos equipos de atención médica, como dispositivos de monitoreo de presión arterial, dispositivos de medición de ECG y otros equipos de diagnóstico, utilizan las placas de microcontrolador.
3. Agricultura:
En toda agricultura inteligente, los dispositivos electrónicos como los de monitoreo del suelo, etc., utilizan placas de microcontroladores.
4. Automatización Industrial:
En la industria, los microcontroladores se utilizan ampliamente para controlar sensores, motores y actuadores.
5. Industria automotriz:
En la industria automotriz, los microcontroladores se utilizan para diversos propósitos, incluidos los sistemas de iluminación.
Conclusión
En conclusión, las placas de microcontroladores desempeñan un papel fundamental en el diseño y desarrollo de productos electrónicos, ya que proporcionan una plataforma integral a los diseñadores. Diversas placas de desarrollo de microcontroladores, como Arduino UNO, STM32, etc., ofrecen una herramienta intuitiva, rentable y potente para que los diseñadores creen y validen sus prototipos.
