Arduino Archivos - Página 3 de 7

Capacímetro con Arduino

La plataforma de programación de Arduino es muy versátil. Al ser un sistema de código abierto, hay mucha gente que colabora y comparte sus programas. Con Arduino es muy sencillo diseñar y fabricar cualquier dispositivo electrónico a medida. Sólo hay que buscar las librerías del proyecto que tengamos en mente, y escribir unas pocas líneas de código para hacer que todo funcione según lo hemos pensado. Hace unos días me preguntaron si conocía la librería Capacitor.h, y como la mejor forma de conocer una librería es trabajar con ella, hice este capacímetro con Arduino. Como en realidad son dos librerías, he utilizado las dos dentro del mismo código.

«Capacitor.h» permite medir capacidades comprendidas entre 1pF y 100μF.

https://wordpress.codewrite.co.uk/pic/2014/01/21/cap-meter-with-arduino-uno/

«CapacitorLite.h» utiliza menos almacenamiento de programa y funciona más rápido. Puede medir entre 0,2pF y 655pF, pero se aumenta su resolución porque entrega los valores en pFx100 (dos decimales).

https://wordpress.codewrite.co.uk/pic/2014/01/25/capacitance-meter-mk-ii/

Esquema del capacímetro

Este capacímetro está construido con un ATMEGA328P y sus componentes mínimos: el circuito oscilador y el del Reset.

Para montar todo esto, utilicé un PCB de los que me sobraron cuando hice el Shield del programador ISP para Arduino.

Shield programador ATmega/ATtiny (ARDUINO)

El único problema es que tuve que hacer algunos puentes con cable por debajo.

Para alimentar el capacímetro utilicé una batería LiPo de 3,86V de tensión nominal, es un módulo recuperado de la batería de un PC. El largo y ancho del capacímetro lo hice en función del tamaño de la batería. La batería va alojada en la base de la caja, debajo de toda la electrónica. Para elevar la tensión de la batería a 5V, es necesario un circuito Step-Up Converter. El primer circuito Step-Up que utilicé interfería las lecturas del conversor ADC, y el capacímetro mostraba algunas medidas erróneas. Al final probé con un módulo MT-3608, previamente ajustado a 5V, y se acabaron los problemas. Para cargar la batería, utilicé el módulo de carga y protección TP-4056.

La medida de la capacidad se muestra en un display LCD de 2×16 caracteres, utilizando la librería CapacitorLite si el condensador bajo prueba mide menos de 655 pF, o Capacitor.h para mostrar capacidades hasta 100μF. El rango de la medida de capacidad se podría aumentar un poco más, pero la precisión empeora rápidamente.

Código de programación

En los comentarios de inicio del programa están los detalles de funcionamiento, y los link de acceso a las dos publicaciones de Jonathan Nethercott, donde explica con más detalle el funcionamiento de las dos librerías y su calibración.

Al principio del código se definen los pines de conexión del display LCD y los dos pines donde las dos librerías medirán el condensador bajo prueba: el pin digital 12 y el analógico 2. Para realizar la medida, la librería genera un impulso de 5V de corta duración, alrededor de 100μSeg.

Posteriormente se realiza la media de tensión en el condensador entre los pines D12 y A2, en función de la capacidad interna y la resistencia PullUp del microprocesador que se utiliza. Estos valores los define de forma automática la librería, pero se pueden calibrar para aumentar la precisión.

En el void setup() se define la velocidad del puerto serie y se genera el mensaje de presentación en el LCD y el puerto serie. También se pueden modificar los valores de calibración de las dos librerías si fuera necesario.

En el void loop() se repite el ciclo de medida de capacidad cada segundo. Se empieza midiendo la capacidad con la librería CapacitorLite.h. El valor de esta medida es en pF x 100, por lo que habría que dividir el valor obtenido entre 100 para mostrar la medida en pF, pero primero se comprueba si el valor obtenido es menor de 65.500, ya que el contador es de 16 bits y se desborda al superar 65.535. A continuación se puede ver el impulso de 5V de corta duración, que genera el pin D12 para realizar la medida de capacidad.

Si el valor de la medida fuese mayor de 655pF, se repetiría la medida utilizando la librería Capacitor.h. A continuación se pueden ver los dos impulsos que genera el pin D12, uno a continuación del otro, para realizar otra medida de capacidad utilizando la segunda librería.

Con Capacitor.h se obtienen directamente valores en pF. Mediante el código se ajustan los valores superiores a 1.000 para que se muestre en nF, y si la medida es superior a 1.000.000, se ajusta el valor a μF. Al principio de todo, se comprueba que el valor medido sea inferior a 101 μF, con el fin de no mostrar valores imprecisos en las medidas.

Al final del código se muestra la medida realizada en el LCD y a través del puerto serie, añadiendo una indicación de actividad en el display durante 300mSeg. Al final se realiza una pausa de 700mSeg. antes de repetir de nuevo el ciclo de medida.

Firmware

El código que necesitas para programar el ATMEGA-328P de Arduino, lo puedes descargar del repositorio GitHub:

https://github.com/J-RPM/Capacimeter/

Caja 3D del Capacímetro

La caja del Capacímetro la hice con 3 piezas, impresas en 3D con PLA de color negro. Para que destaque la serigrafía, se puede pintar con un pincel fino y pintura sintética, utilizando cualquier color que sea claro.

Caja del Capacímetro – Thingiverse: Capacimeter with Arduino

¿Necesitas fabricar un circuito impreso?

Actualmente hay muchas empresas que se dedican a fabricar circuitos impresos (PCB), pero no en todas podemos conseguir pequeñas tiradas a buen precio. Por suerte, ahora disponemos de Internet y es mucho más fácil que antes. Podemos buscar empresas en cualquier parte del mundo, y es más fácil encontrar un fabricante que haga nuestros prototipos (PCB) a buen precio. Una de las empresas más grandes del sector es PCBWay.

Logo: PCBWay

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Plato giratorio con motor paso a paso

Construcción de un plato giratorio, con un motor paso a paso unipolar de 5 hilos 28BYJ-48. Los platos giratorios se utilizan desde hace mucho tiempo en los escaparates como expositores, sobretodo en tiendas de relojes y joyerías. En mi caso, lo voy a utilizar para grabar algunas escenas de montajes electrónicos. Este plato puede girar en ambos sentidos con gran precisión, y a una velocidad configurable a elegir entre uno de sus 6 preset. El controlador del motor está hecho con un microcontrolador Atmega328P (Arduino). Aprovechando la gran precisión de giro de los motores paso a paso, este plato giratorio se podría utilizar como temporizador cíclico, montando levas en el plato para accionar uno o varios pulsadores.

Motores Paso a Paso

Un motor paso a paso convierte los impulsos eléctricos que recibe en sus bobinas, en movimiento de rotación, y se considera como un motor de corriente continua sin escobillas.

Un motor paso a paso funciona con tensión continua, y puede ser de casi cualquier tamaño y par. Cuando se le aplica energía en alguno de sus bobinados, da un «paso» en lugar de girar constantemente. Cada paso provoca una rotación con un ángulo especificado por el fabricante del motor, ya que depende del número de polos del motor y su demultiplicación interna.

Un motor paso a paso se comporta como un conversor Digital-Analógico (D/A), convirtiendo los impulsos digitales de tensión que recibe en giros analógicos de gran precisión. Estos motores se utilizan en cualquier dispositivo electrónico que requiera mover objetos con gran precisión: impresoras convencionales y 3D, escáner, plotter, fresadoras CNC, grabadores láser, etc.

Stepper motor 28BYJ-48

Model ： 28BYJ-48
Rated voltage ： 5VDC
Number of Phase ： 4
Speed Variation Ratio ： 1/64
Stepper Motor 5V 4-Phase 5-Wire & ULN2003 Driver Board
Stride Angle ： 5.625° /64
Frequency : 100Hz
DC resistance ： 50Ω±7% (25℃)
Idle In-traction Frequency : > 600Hz
Idle Out-traction Frequency : > 1000Hz
In-traction Torque >34.3mN.m (120Hz)
Self-positioning Torque >34.3mN.m
Friction torque : 600-1200 gf.cm
Pull in torque : 300 gf.cm
Insulated resistance >10MΩ (500V)
Insulated electricity power ：600VAC/1mA/1s
Insulation grade ：A
Rise in Temperature <40K (120Hz)
Noise <35dB (120Hz, No load, 10cm)

Control del plato giratorio

Para controlar los ángulos de giro y velocidad de un motor paso a paso, es necesario saber como mínimo el número de pasos por vuelta del motor, su tensión de alimentación y la frecuencia máxima de funcionamiento.

El motor 28BYJ-48 hace un giro completo cada 64 pasos, pero incluye una reducción de 1/64 . Como resultado tenemos 64×64 = 4096 pasos por vuelta. Como el motor se acopla al plato mediante un piñón y una corona de relación 1/7, los cálculos de giro los tendremos que calcular en función de 4096×7 = 28972 pasos por vuelta.

Al tratarse de un motor de 4 fases, es posible controlarlo en ciclos de 4 pasos. Aunque se pierda un poco de PAR, los fabricantes aconsejan hacer funcionar el motor en modo “Half Step Drive” (medio paso), haciendo los saltos menos bruscos y reduciendo su consumo.

Secuencia de 8 pasos, para mover el motor 28BYJ-48 en Half Step Drive:

Construcción del Plato giratorio

Para la construcción de este plato giratorio he utilizado el motor paso a paso unipolar de 5 hilos 28BYJ-4. Este motor junto con su driver de control, se puede conseguir por Internet por menos de 5 Euros. Al tratarse de un motor unipolar, no es necesario utilizar un driver del tipo Puente H, necesario para controlar los motores bipolares de 4 hilos.

El driver de este motor es muy sencillo, sólo necesita 4 transistores en montaje Open-Collector para suministrar la corriente necesaria a las bobinas del motor. El driver que se incluye con este motor utiliza 4 entradas-salidas del circuito integrado ULN2003, de las 7 que incluye el chip. También lleva 4 indicadores LED para señalizar cuando se está alimentado cada una de las 4 bobinas del motor.

El controlador del motor lo he montado aprovechando el PCB del Shield del programador ISP de Arduino UNO que hice hace unos años.

Shield programador ATmega/ATtiny (ARDUINO)

Sólo es necesario cortar una pista del circuito impreso, y unir 11 pines del ATmega328P con su puntos de conexión correspondiente, como si se tratase de un Arduino UNO.

En el esquema de montaje se muestran todos los puentes que hay que hacer en color rojo, así como los componentes que hay que montar, resaltados en color verde. Para alimentar todo el circuito, he utilizado una pequeña fuente conmutada de 230VAC-5VDC de 500 mA.

Acceso a descargas

Firmware para cargar en Atmega328P:

Plato_28BYJ-48.rar

Caja y engranajes 3D – Thingiverse:

Turntable, with a 28BYJ-48 5-wire unipolar stepper motor

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Entrenador de Reflejos y Coordinación

Hace 6 años hice un entrenador de reflejos con 6 pulsadores.

ENTRENADOR DE REFLEJOS – IMPROVES YOUR REACTION TIME

Después hice un mural de madera, y cambié los pulsadores por otros de gran tamaño, pudiendo controlar todo desde un PC mediante un software hecho a medida.

Mural con pulsadores (Entrenador de reflejos)

Con el software Reflejos.exe es posible controlar los tiempos, mostrar los intervalos entre pulsaciones, modificar las secuencias de los pulsadores, almacenar los tiempos de hasta 25 jugadores y mostrar su progresión mediante gráficas.

Software:Reflejos.exe (Control del juego/Prácticas QWERTY)

Posteriormente hice un reloj LED con tecnología SMD, diseñando los PCB’s de la CPU y los dígitos numéricos. El PCB de control del reloj lo hice pensando en una placa de desarrollo, igual que Arduino, montando conectores en todos los pines del microcontrolador. La CPU del reloj está construída con el microcontrolador AT89S52, el mismo microcontralador que utilicé en el primer Entrenador de Reflejos que hice, pero con encapsulado SMD.

Construye un Reloj SMD

En esta ocasión he actualizado el firmware del Entrenador de Reflejos y el software de control, para adaptarlos a esta nueva CPU y mejorar su operatividad. El nuevo montaje también es diferente, más enfocado a la rehabilitación y coordinación de movimientos que al juego. En este caso, los 6 pulsadores se pueden accionar con las manos y con los pies, y la conexión entre la CPU y el software de control es inalámbrica, utilizando el módulo Bluetooth HC-05.

Nuevo esquema del Entrenador de Reflejos

Este es el nuevo esquema del Entrenador de Reflejos, con todas las conexiones adaptas al PCB del Reloj:

Debido a la gran versatilidad de este PCB, en la adaptación no ha sido necesario cortar ninguna pista del circuito impreso ni hacer puentes entre ellas. Este PCB ya dispone de terminales de conexión para todos los periféricos que se necesitan conectar: los LED de señalización, los pulsadores, el display LCD y el módulo Bluetooth. El avisador acústico ya se utilizaba con el reloj, y va montado en el mismo PCB.

Para la señalización óptica de los pulsadores he utilizado 2 LED SMD blancos por pulsador, en paralelo y alimentados a 5V, intercalando en serie una resistencia limitadora de 220 Ohmios en cada LED. Así la corriente máxima de cada LED es de aproximadamente 10mA. Con el fin de proteger la alimentación frente a un posible cortocircuito en el cableado, los 5 voltios que van hacia los pulsadores se alimentan de dos hilos diferentes, cada línea alimenta 3 pulsadores, y cada uno de estos hilos limita el consumo máximo intercalando una resistencia de 22 Ohmios en serie.

Para alimentar todo el conjunto he utilizado un conector microUSB. Así es posible utilizar cualquier cargador USB que tengamos disponible en casa. El consumo máximo de todo el circuito es inferior a 200mA.

La programación y actualización del firmware del microcontrolador AT89S52 se realiza una vez montados todos los componentes en la placa, a través del conector ICSP. Lo ideal sería utilizar un programador ICSP comercial, pero si no lo tienes, podrías convertir en un momento un módulo Arduino en programador ICSP:

Programador ICSP con ARDUINO

Bluetooth HC-05

El módulo Bluetooth HC-05 hay que configurarlo antes de montarlo en la CPU.

Para su configuración es necesario conectarlo a través de un interface serie con un PC, y con cualquier software Terminal y mediante comandos AT configurar su modo de funcionamiento como esclavo, y la velocidad a 57600 bps. Si se quiere, también se pueden modificar el nombre del dispositivo y su PIN de acceso a la conexión. La manera más fácil de configurar todo esto es a través de Arduino, utilizando su interface de comunicaciones serie para enviar los comandos AT al módulo HC-05 y configurarlo.

Al principio del código de configuración del módulo HC-05 he anotado los comandos AT más importantes, así como el modo de entrar en modo comandos AT. Dependiendo del tipo de módulo HC-05, el acceso a modo comandos es diferente, porque algunos módulos llevan un pulsador y otros no.

Acceso a descargas

Firmware para cargar en AT89S52: REFLEJOS_SMD_v1_02.HEX

Configuración del módulo HC-05 con Arduino – DropBox: HC-05.rar

PCB de la CPU – PCBWay: Multipurpose_CPU_with_AT89S52

Software de control – DropBox: Install_Reflejos.zip

Caja 3D – Thingiverse: Reflexes and Coordination Trainer

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I2C & UART con Analizador Lógico

En la actualidad es mucho más sencillo y barato que antes, fabricar dispositivos electrónicos. La mayoría de los equipos que se fabrican ahora son de tecnología digital, y si requieren algún ajuste, casi siempre se realiza mediante un software… los ajustes internos han desaparecido.

La tecnología digital ha permitido también abaratar los costes de desarrollo y producción, hasta el punto que ahora cualquier aficionado a la electrónica pueda disponer de algunos equipos de medida que antes sólo estaban al alcance de los fabricantes.

Ahora es posible disponer de un analizador lógico de 8 canales por menos de 10€, aprovechando como interface gráfico un PC. El uso de un PC en los equipos de medida permite de forma muy sencilla actualizar sus prestaciones, sólo hay que actualizar el software de control en el PC.

Analizador Lógico USB LA1002 de 8 canales 24 MHz

Este analizador lógico permite grabar las secuencias digitales que transmiten los equipos en tiempo real, pudiendo analizar posteriormente los protocolos que utilizan, medir la velocidad de las comunicaciones, comparar señales, etc. Con un analizador lógico se reducen notablemente los tiempos dedicados al desarrollo, y al mismo tiempo sirve para entender mejor los protocolos utilizados en las comunicaciones digitales.

Hace unos meses monté un receptor de radio controlado por Arduino. Este receptor de radio es totalmente digital. Todos sus ajustes y control se realizan mediante el bus de comunicaciones I2C. Para comprender mejor el funcionamiento de un analizador lógico, voy a utilizar este receptor de radio como ejemplo, y voy a grabar las comunicaciones I2C entre el módulo receptor de radio y Arduino, y al mismo tiempo las señales RX/TX de la UART de Arduino.

Bus I2C

Hace unos años publiqué un video dedicado al Bus I2C. En este caso sólo voy a hacer un resumen.

Bus I2C

El bus I2C es un protocolo de comunicaciones bidireccional compuesto por 3 hilos, Datos, Reloj y masa (GND). Al ser esta una señal síncrona, controlada por los impulsos del reloj, la velocidad es variable y sólo en casos especiales se superan los 100 KHz.

Ambas líneas permanecen conectadas a nivel alto, mediante resistencias Pull-Up, y son los dispositivos los encargados de cargar las líneas para generar los impulsos. El dispositivo que hace de máster es el encargado de generar la señal de sincronismo (Clock). El dispositivo que envíe los datos, ya sea máster o esclavo, es el encargado de generar la señal de datos.

Los cambios de nivel en el hilo de datos siempre suceden cuando el nivel del hilo del Clock está a nivel bajo. Cuando esto no se cumple, es porque se está generando el bit de Start o el de Stop. Las comunicaciones I2C siempre comienzan con un bit Start, y finalizan con un bit Stop. Cuando el hilo del Clock está en nivel alto y cambia de estado el hilo de datos: si cambia de 1 a 0, es un bit Start y si cambia de 0 a 1 es un bit Stop.

La información se transmite en formato de 8 bits, salvo la dirección que se compone de 7 bit, utilizando el octavo bit como indicación del dispositivo máster, para indicar al esclavo o receptor, si va a transmitir datos a continuación o espera recibirlos de él. En ambos casos, el dispositivo máster genera la señal de reloj y el primer Byte con la dirección.

Con el fin de mantener la comunicación activa, el dispositivo que hace de receptor carga la línea de datos cuando recibe un Byte correctamente, generando así el bit ACK a nivel bajo.

Si el dispositivo transmisor detecta un nivel bajo al finalizar el envío de cualquier Byte, puede continuar con el siguiente, y si recibe el bit ACK a nivel alto, podría reenviar de nuevo la información o finalizar la comunicación generando un bit Stop.

Software: PulseView

El software PulseView es el complemento necesario para controlar el analizador lógico USB LA1002 de 8 canales, y se puede descargar desde el siguiente link: https://sigrok.org/wiki/PulseView

UART y RS232

Las comunicaciones de una UART también es de 3 hilos y bidireccional, pero a diferencia del I2C, la comunicación de la UART es asíncrona. La UART utiliza un hilo para transmitir, otro para recibir y el tercero es el hilo de referncia o GND. Al no disponer de una señal de sincronismo (clock), en el dispositivo receptor es necesario configurar la velocidad y formato de las comunicaciones que utiliza el dispositivo transmisor.

Bit: START/STOP

Para que el dispositivo receptor pueda sincronizar el inicio de cada Byte que recibe, el dispositivo transmisor inserta un bit de inicio y otro de fin, son los bit de Start y Stop. El bit de Stop se puede considerar como un tiempo de inactividad, o pausa entre Bytes. Así el tamaño del bit de Stop puede ser del tamaño de 1 bit de datos, de 1,5 o 2… y no se puede omitir.

Este tiempo de inactividad del bit Stop, aparte de marcar el fin de cada Byte, lo utiliza el terminal receptor para convertir los datos serie de cada Byte en paralelo y almacenarlos en la memoria buffer de la UART. Lo procesadores antiguos, cuando recibían datos a una velocidad alta disponían de muy poco tiempo para realizar todo el proceso de almacenar los datos. Aumentando el intervalo de tiempo entre Bytes (bit Stop), era posible aumentar la velocidad de las comunicaciones serie.

Bit: DATOS

El número de bits de datos de una UART es variable, entre 4 y 8 bits. Lo normal es utilizar el formato estándar de 8 bit, equivalente a 1 Byte. Los formatos inferiores permitían aumentar la velocidad de las comunicaciones en los procesadores antiguos. Por ejemplo, con 7 bits se pueden codificar los primeros 127 caracteres de la tabla ASCII.

El bus I2C envía los datos en serie empezando por el bit más significativo, bit MSB. La UART lo hace al revés, enviando primero el bit menos significativo, bit LSB. Al final del último bit de cada Byte, es posible enviar un bit de paridad.

Bit: PARIDAD

El bit de paridad se puede omitir, a diferencia de los bit Start y Stop que son imprescindibles. El bit de paridad protege ligeramente la integridad de los datos que se reciben, pudiendo omitir los Bytes erróneos. El valor del bit de paridad es necesario definirlo en las comunicaciones:

(N)one = sin bit de paridad
(E)ven = paridad PAR … bit de complemento para que el número de unos sea par
(O)dd = paridad IMPAR … bit de complemento para que el número de unos sea impar
(M)ark = siempre 1*
(S)pace = siempre 0*

(*) Permite diferenciar los Bytes de direccionamiento y datos en las comunicaciones RS485 y RS422, cuando se conectan varios dispositivos receptores en paralelo de diferente dirección.

Envío serie: RS232

En este ejemplo un PC transmite el número 5 del teclado por la UART y su interface serie RS232. Cuando el procesador no envía datos el nivel lógico a la salida de la UART es alto (inactividad) , y cuando se transmite un 0 el nivel lógico es bajo.

El interface serie RS232 convierte la señal continua pulsante en otra alterna de mayor nivel, protegiendo así las comunicaciones de posibles inducciones en los cableados. Es importante destacar que el interface serie invierte los niveles lógicos de la UART.

Esta UART está configurada para transmitir a una velocidad de 4800 bps, sin bit de paridad, 8 bit de datos y 1 bit de Stop. En total se envían 10 bits, y se necesita un tiempo ligeramente superior a 2 mSeg. para transmitir un Byte.

Gestión I2C del módulo SI4703 desde Arduino

Si abrimos las librerías del módulo receptor de radio SI4703, podemos ver que en los registros del 0x0A hasta el 0x0F se almacena el nivel de campo recibido, la frecuencia sintonizada y los 64 Bytes de datos del último grupo RDS recibido. Los datos del RDS se guardan en los 4 últimos registros, ordenados y etiquetados con la letra de cada bloque.

Observando la rutina de lectura, comprobamos que siempre envía por I2C los 32 Bytes de los 16 registros, pero empezando por el 0x0A. Así el primer valor leído será el nivel de campo, a continuación la frecuencia sintonizada y el RDS, dejando para el final los registros desde el 0x00 hasta el 0x09. En total se envían por el bus I2C 33 Bytes: 1 Byte de dirección mas los 32 Bytes de los 16 registros.

Decodificación de los datos recibidos por I2C

En la imagen anterior vemos los datos del Bus I2C que Arduino ha leído del módulo receptor de radio (SI4703). He coloreado los paquetes, cambiado el color cada 32 Bytes de datos. Como vimos antes, los primeros 2 Bytes son los del registro 0x0A. El Byte menos siginificativo de los dos es el nivel de campo recibido: 0x33 (hexadecimal) y si los convertidos a decimal serían 51dBuV.

El registro siguiente, el 0x0B, es la frecuencia sintonizada: 0x0023 = 35 decimal. Ahora le sumamos 875 (910) y luego lo dividimos entre 10 para obtener la frecuencia en MHz = 91,0.

A continuación tenemos los 8 Bytes con los datos RDS del último grupo recibido. Si copiamos los 8 Bytes del RDS y comprobamos que tipo de grupo es, podemos decodificar toda la información que contiene.

Por este grupo estamos recibiendo el bit TA, M/S, 1 bit del DI, las 2 primeras letras del PS, 2 frecuencias alternativas, y además el resto de información genérica de todos los grupos RDS: PI, TP y PTY.

Si nos fijamos con más detalle en la captura de datos recibidos por el bus I2C, vemos que cada grupo RDS se está repitiendo 20 veces. Esto es debido a la alta velocidad de lectura del bus I2C, en relación a la velocidad del RDS.

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Reloj Pac-Man con ESP32 & UTF-8

Actualización del firmware (v1.44) para el Reloj-Texto construido con 4 matrices LED, y controlado con el microprocesador ESP32. Con esta actualización, el display podrá mostrar los caracteres latinos de uso más frecuente: áéíóúü ÁÉÍÓÚÜ cÇ ñÑ. También se incluyen los avisos con voz sintetizada, y efectos gráficos Pac-Man.

Reloj-Texto con dos alarmas y 2 husos horarios

UNICODE & UTF-8

La conexión entre diferentes redes de ordenadores provocó la necesidad de crear un estándar que contemplara el juego de caracteres gráficos de cualquier lengua, incluyendo ideogramas, caracteres árabes, chinos, etc.

El año 1991 se anunció públicamente la creación de Internet, y ese mismo año el Consorcio Unicode y la ISO desarrollaron ambos un estándar para codificar los caracteres: Unicode – ISO / IEC 10646. Ambos estándares se pueden considerar equivalentes, si tenemos en cuenta que el repertorio, los nombres de caracteres y los puntos de código del estándar ‘Unicode Versión 2.0’, coinciden exactamente con los de ISO / IEC 10646-1: que fue publicado en 1993.

Actualmente, la codificación dominante es UTF-8, que es una codificación de ancho variable diseñada para la compatibilidad con versiones anteriores de ASCII, y para evitar las complicaciones con las marcas de orden de bytes que existen con UTF-16 y UTF-32 . Además, el 93% de todas las páginas web están codificadas en UTF-8 y el Grupo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF) requiere que todos los protocolos de Internet identifiquen las codificación UTF-8. También el Consorcio de correo de Internet (IMC), recomienda que todos los programas de correo electrónico puedan mostrar y crear correo utilizando UTF-8.

Codificación UTF-8

Los primeros 127 caracteres de cualquier tabla de caracteres de procedencia anglosajona o latina, son comunes y su origen es la tabla de caracteres ASCII. Este conjunto de caracteres se pueden codificar dentro de una matriz binaria de 7 bit., y son los caracteres que por defecto muestra cualquier display.

Si queremos mostrar los caracteres específicos de cualquier lengua, por ejemplo las letras acentuadas, tendremos que ampliar de tamaño la matriz del display que almacena los caracteres en memoria, y asociar una posición específica a cada uno de los caracteres dentro de esa matriz. De esta forma, la tabla de caracteres que almacena el display no se corresponderá con el código del carácter que recibamos a través del interface Web. Así el procesador del display tendrá que comprobar el código del carácter que recibe, y si es superior al 127, reposicionar el código para apuntar al gráfico que tenemos asociado a ese código entrante, dentro de la matriz gráfica del display. El tamaño de la matriz gráfica del display suele ser de 8 bit, y con esto es posible almacenar 127 caracteres extra, que podrían ser letras acentuadas, logotipos o cualquier dibujo.

Integración UTF-8 en el display

Si pretendemos que los caracteres de este reloj se puedan programar a través de un interface Web, es necesario utilizar una codificación de caracteres estándar, y la más versátil es la codificación UTF-8 de 2 Bytes.

Este reloj utiliza 3 tipos de fuentes gráficas, dos de ellas limitadas a los 10 números, utilizadas para mostrar los dígitos de la hora en formato estrecho y ancho, y la otra es la que almacena los caracteres ASCII, desde el espacio cuyo código es 32 en decimal, hasta el 126 que es la tilde de la letra eñe, más conocida como virgulilla ~. A continuación, y a partir del código 127, es donde se almacenan los caracteres extra.

Hay muchas formas de almacenar las fuentes gráficas en un display, pero la forma más eficiente es asociar un Byte a los 8 pixeles que tiene cada columna de la matriz LED. Así es más rápida la gestión que tiene que hacer el procesador para desplazar los textos por el display.

La fuente de textos y gráficos de este display es de ancho variable, entre 2 y 5 pixel de ancho por 8 pixel de altura. Así se limita el ancho a las letras que no lo necesiten, por ejemplo el espacio, y se pueden mostrar más caracteres en el display. Para localizar los caracteres en la matriz, todos ellos ocupan 6 Bytes. El primer Byte indica el ancho del carácter, que se corresponde al número de Bytes que tiene que leer el procesador para formar la letra en el display.

Para facilitar la interpretación visual de los gráficos, los 5 Bytes de cada carácter se suelen escribir en formato binario, pero también se podría escribir en formato hexadecimal o decimal si se quisiera reducir el tamaño del archivo en el editor.

En el gráfico siguiente. vemos el esquema de codificación de caracteres UNICODE, junto con UTF-16 y UTF-8.

Cuando se asigna un código a un carácter, se dice que dicho carácter está codificado. El espacio para códigos tiene 1.114.112 posiciones posibles (0x10FFFF). En el grafico anterior vemos el espacio de códigos dividido en tramos, con el fin de mostrar los diferentes esquemas de codificación UTF. Los puntos de código se representan utilizando notación hexadecimal agregando el prefijo U+.

Actualmente los sistemas operativos limitan la tabla UNICODE a los primeros 65.536 caracteres (0xFFFF), y el valor hexadecimal se muestra añadiendo ceros a la izquierda si es necesario, hasta completar los 4 dígitos hexadecimales.

Es conveniente aclarar, que los sistemas operativos disponen de diferentes tablas de caracteres, algunas de ellas son privadas, y no se deberían utilizar en un documento público con acceso a Internet, ya que no son un estándar.

Internamente en un PC se podría crear un documento utilizando cualquier fuente de caracteres, con el fin de mostrar algún gráfico en especial. El problema es si ese mismo documento se abriese utilizando una fuente de caracteres diferente; porque algunos caracteres ya no serían los mismos.

Si queremos codificar caracteres en UTF-8, limitando su longitud máxima a dos Bytes por carácter, sólo podremos codificar los primeros 2.048 caracteres UNICODE, y recibiremos caracteres de 11 bits. Así cuando recibamos un Byte en UTF-8 que comience con 110, sabremos que se trata de un carácter doble, y los 5 bits siguientes de ese Byte serán los 5 bits más significativos del carácter UNICODE que estamos recibiendo, sin olvidar que este carácter tiene una longitud de 11 bits. A continuación recibiremos el segundo Byte, el cuál empezará con los bits 10, y a continuación recibiremos los 6 bits menos significativos del carácter UNICODE.

Decodificación UTF-8

Cuando el bit más significativo de un Byte en UNICODE comience con un 0, la longitud del código UTF-8 no cambia, manteniendo el mismo valor UNICODE, y respetando así su compatibilidad con la tabla ASCII.
Si se recibe un Byte en UTF-8 que empieza con los bits 110, su longitud será de 2 Bytes, y el segundo Byte empezará siempre por 10.
Si se recibe un Byte en UTF-8 que empieza con los bits 1110, su longitud será de 3 Bytes, y los dos Bytes siguientes al primero empezarán con 10.
Si se recibe un Byte en UTF-8 que empieza con los bits 11110, su longitud será de 4 Bytes y los 3 Bytes siguientes al primero empezarán con 10.

Esquema de montaje

Para que este display Reloj-Texto funcione, sólo hay conectar 5 hilos entre un lateral del display LED y el módulo ESP32. El sonido de la alarma y el audio sintetizado sale por el pin GPIO26 del módulo ESP32, y hay que conectarlo a un amplificador de audio con su altavoz.

Firmware (v1.44)

El archivo que necesitas para programar el ESP32, lo puedes descargar de forma gratuita desde el repositorio GitHub: Clock-Text_ESP32

Interface Web y ajustes

Este reloj se controla a través de cualquier dispositivo móvil, siempre que esté conectado a la misma red WiFi. El reloj dispone de 2 interfaces Web diferentes, pudiendo elegir su modo de funcionamiento. El reloj funciona de forma muy parecida en ambos modos, presentando la hora de acuerdo al formato que se haya configurado, y cada 30 segundos mostrando un rotación de texto.

Cuando el display está configurado en modo RELOJ: el texto será el día de la semana y la fecha; pero sólo en caso de que estuviese habilitada su presentación, porque en caso contrario el reloj siempre mostrará la hora.

Interface RELOJ: se puede modificar el huso horario al cuál se debe sincronizar el reloj, realizar los ajustes de formato y presentación de la hora, y modificar el brillo del display.

Cuando el display está funcionando en modo MENSAJE: cada 30 segundos intercalará una rotación del texto que tenga programado.

Interface MENSAJE: se puede ajustar la velocidad de desplazamiento del texto, modificar el contenido del mensaje, y fijar la hora y repeticiones de sus dos alarmas.

Ambos interfaces disponen de un botón para cambiar su modo de funcionamiento, teniendo en cuenta que el reloj primero se reiniciará, sincronizando de nuevo la fecha y hora con el servidor NTP que le corresponda al uso horario ajustado. Al reiniciar el reloj, el punto de acceso WiFi al que se conecta, podría asignar una dirección IP diferente a la anterior. También se han incorporado dos botones nuevos, uno para mostrar la hora con voz, muy interesante para personas invidentes, y el otro para forzar el borrado del display en cualquier momento, mediante la aparición de Pac-Man.

Con esta nueva versión (v1.44), es posible escribir textos utilizando letras acentuadas y la letra Ñ, tanto en mayúsculas como en minúsculas. Además, si el reloj está configurado con el huso horario de España y el formato de presentación de la hora es el Europeo, los textos del día de la semana y fecha, aparecerán traducidos al Español.

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