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Tienda de Componentes de Electrónica y Robótica Amaru Contacto al teléfono móvil: 73236579 Diseño, gráficos, figuras y presentación son propiedad del autor. Primera Edición ------ 2021 --------SENAPI (Servicio Nacional de Propiedad Intelectual) Resolución Administrativa Nro. 1 - 1009/2021 Nro. de Depósito Legal: 4 – 1 – 1510 – 2021 La Paz – Bolivia ISBN: 987-9917-0-0821-7 La presente edición es propiedad del AUTOR, cualquier reproducción y/o difusión total o parcial de esta obra, por cualquier forma, por medios mecánicos o electrónicos, inclusive por fotocopias, grabación magnética y cualquier otro sistema de almacenamiento de información, está prohibido y penada por la ley de acuerdo a disposiciones legales en vigencia (Ley Nro. 1322 Derecho de Autor del 13 de abril de 1992). Salvo el previo consentimiento escrito del AUTOR.

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CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA EDUCATIVA 1 Conceptos Fundamentales Las teorías necesarias para conocer acerca de la introducción a la robótica son los conceptos básicos de la electrónica para su mejor aprendizaje y entendimiento. 1.1 ¿Qué es la Robótica? Según Ventura p, 9; La robótica es una rama de la tecnología que estudia el diseño y construcción de máquinas capaces de desempeñar tareas repetitivas ó peligrosas para el ser humano. Las ciencias de las que deriva son principalmente: la mecánica, la electrónica y la informática. 1.2 ¿Qué es un Robot? Según Ventura p, 8; Un robot es un dispositivo electrónico generalmente mecánico, que desempeña tareas automáticas, ya sea de acuerdo a supervisión humana directa, a través de un programa predefinido ó siguiendo un conjunto de reglas generales, utilizando técnicas de inteligencia artificial. Según la Asociación Japonesa de Robótica Industrial (JIRA), los robots son dispositivos capaces de moverse de modo flexible, análogo al que poseen los organismos vivos, con ó sin funciones intelectuales, lo que permite la realización de operaciones en respuesta a órdenes recibidas por humanos. Las tareas que realizan cualquier robot se asemejan a los del ser humano a través los sensores pueden saber y distinguir diferentes situaciones ó hechos reales. 1.3 Robótica Educativa La introducción de la robótica lleva a conocer a los estudiantes de diferentes niveles y personas interesadas que quieren aprender y desarrollar habilidades de análisis, diseño y construcción de robots básicos como inicio al mundo de la robótica. La robótica combina disciplinas académicas de ciencia, tecnología, ingeniería, electrónica, mecánica, programación, matemáticas entre otras. Según la necesidad de los robots a construir. Tienda de Componentes de Electrónica y Robótica Amaru

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Robótica Educativa Práctica 1.4 ¿Qué es la Electrónica? Bajo una conceptualización moderna, puede decirse que la electrónica es: El campo de la ingeniería que estudia el aprovechamiento del flujo de electrones (corriente eléctrica) en dispositivos semiconductores, para generar, recibir, almacena y transmitir información en forma de señales eléctricas. 1.4.1 Corriente Eléctrica Un flujo de electrones en movimiento como causa de la aplicación de una fuerza electromotriz ó fuente de tensión a un conductor eléctrico, es lo que se lo llama corriente eléctrica. La unidad de medida de la corriente son los Amperios [A], y tiene la siguiente forma: 1[uA] (un micro Amperio) 1[mA] (un mili Amperio) 1[A] (un Amperio) 1.5 Componentes Electrónicos Son los partes de un circuito electrónico que están conectados entre ellos mediante uniones de cobre y soldaduras de estaño. 1.5.1 Fuente de Tensión ó Voltaje La fuente de tensión ó voltaje de alimentación pueden ser fija o variable. La unidad de medida del voltaje son los Voltios [V]. 1.5.1.1 Fuentes de Tensión ó Voltaje Fija La fuente de voltaje fija suministra la fuerza necesaria para impulsar una corriente de electrones a través de los circuitos, esta fuente de voltaje pueden ser pilas ó baterías que emiten un voltaje DC (Corriente Directa). La pila ó batería suministran la energía necesaria para que las cargas eléctricas circulen por un circuito de un valor fijo. La unidad de medida de la fuente de tensión son los Voltios [V], en las siguientes figuras se puede apreciar la pila y la batería.

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Figura 1, pila Rayovac de tamaño doble AA de 1,5[V].

Figura 2, pila Duracell de tamaño doble AA de 1,5[V].

Figura 3, Batería Toshiba de 9[V].

Figura 4, Batería Duracell de 9[V].

Es necesario considerar que el valor de la pila se mantiene fijo en un tiempo determinado pero al pasar el tiempo su valor se reduce. También existen otras fuentes de tensión que pueden generar valores fijos de voltaje como por ejemplo: el cargador de un celular que generalmente tiene un voltaje fijo de salida de 5[V] y también se puede obtener otros valores fijo (9[V], 12[V], 18[V], 24[v] entre otros) de diferentes cargadores de distintos dispositivos electrónicos. Además a esta fuente tensión se las conoce como: fuente de corriente directa “DC” La figura 1, 2, 3 y 4 son pilas y baterías no recargables. 1.5.1.2 Broche de Batería de 9[V] Se usa principalmente para conectarlo a la batería de 9[V] (ver figura 3 y 4). En las siguientes figuras se puede apreciar el broche de batería de 9[V].

Figura 6, broche para batería Toshiba ó Duracell de 9[V], con conector Plug DC. Tienda de Componentes de Electrónica y Robótica Amaru. Figura 5, broche para batería Toshiba ó Duracell de 9[V].

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Robótica Educativa Práctica La unidad de medida de la resistencia es el Ohmio (Ω) y se la puede leer de la siguiente forma: 1[MΩ] (un Mega Ohmio) 1[kΩ] (un Kilo Ohmio) 1[Ω] (un Ohmio) En la siguiente figura se puede apreciar la resistencia eléctrica.

Figura 16, resistencia de 1/4 de watt.

Figura 17, resistencia de 1/2 de watt.

1.5.2.1 Código de Colores de la Resistencia Eléctrica Para la lectura del código de colores de la resistencia de 4 bandas que está en el cuerpo de la resistencia se lee de la siguiente forma: Los 2 primeros bandas de colores representa un digito decimal, la 3ra banda representa el multiplicador de base 10 y la cuarta banda representa la tolerancia. En la siguiente figura se observa la tabla de código de colores de la resistencia

Figura 18, código de colores para resistencia de 4 bandas. Tienda de Componentes de Electrónica y Robótica Amaru

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Robótica Educativa Práctica Ejemplo 1 Se tiene una resistencia de cuerpo con las siguientes bandas: 1ra banda color rojo, 2da banda de color rojo, 3ra banda de color café y la 4ta banda de color dorado. Averigüe el valor de dicha resistencia. Solución

Figura 19, resistencia de cuerpo rojo, rojo, café y dorado. 1ra banda = Rojo Digito decimal = 2 2da banda = Rojo Digito decimal = 2 3ra banda = Cafe Multiplicador = 10 4ta banda = Dorado Tolerancia del 5% Valor de resistencia = 22x10 = 220 [Ω] Ejemplo 2 Se tiene una resistencia de cuerpo con las siguientes bandas: 1ra banda color café, 2da banda de color negro, 3ra banda de color naranja y la 4ta banda de color dorado. Averigüe el valor de dicha resistencia. Solución

Figura 20, resistencia de cuerpo café, negro, naranja y dorado. 1ra banda = Café Digito decimal = 1 2da banda = Negro Digito decimal = 0 3ra banda = Naranja Multiplicador = 1000 4ta banda = Dorado Tolerancia del 5% Valor de resistencia = 10x1000 = 10k [Ω]

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Robótica Educativa Práctica  2 posiciones de tipo ON – ON de 3 pines (un pin de dos tiros). Código MTS102  3 Posiciones de tipo ON – OFF – ON de 3 pines (un pin de dos tiros). Código MTS-103  3 Posiciones de tipo ON – OFF – ON de 6 pines. Código MTS-202  Entre otros. Los interruptores, se las puede apreciar en las siguientes figuras:

Figura 35, interruptor de 2 posiciones de tipo ON – ON de 3 pines.

Figura 36, interruptor de palanca de 3 posiciones, ON – OFF – ON de 6 pines.

Además existen otros interruptores de palanca de mayor voltaje y amperaje. 1.5.7 Diodo Un diodo es un componente electrónico semiconductor que permite la circulación de corriente eléctrica de un sentido, mientras que no permita la circulación de corriente eléctrica en el sentido contrario. El diodo tiene 2 terminales llamado Ánodo (+) y Cátodo (-), la circulación de la corriente eléctrica fluye de Ánodo a Cátodo. El diodo, se las puede apreciar en las siguientes figuras:

Figura 37, Diodo 1N4007 de 1000[V] y 1[A].

Figura 38, diodo con su descripción de Ánodo y Cátodo.

Además existen diodos de diferentes fabricantes de capacidades de corriente eléctrica de: 2[A], 3[A], 4[A], 5[A], 6[A] y entre otros.

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Robótica Educativa Práctica 1.7 Diodo LED El diodo LED (Light Emitting Diode), es un componente electrónico semiconductor que emite luz cuando se lo polariza de forma directa. La unidad de medida de la luminosidad del diodo LED, es la milicandela [mcd]. El dio LED tiene dos pines de conexión (una más larga que la otra) están denominadas como Ánodo (pin positivo y largo) y Cátodo (pin negativo y corta).

Figura 45, diodo LED de 2[V] y 20m[A] de 5 milímetros de diámetro.

Figura 46, diodo LED de 2[V] y 20m[A] de 10 milímetros de diámetro.

Además existen diodos LED que tiene más alta luminosidad de unos 8000[mcd], como el diodo LED de alto brillo ó panorámico. Mientras que los diodos LED normales tienen una luminosidad de aproximadamente de 1000[mcd], ese valor varía según el fabricante. 1.7.1 Aplicación del Diodo LED La aplicación de los LED es muy variada entre los que se puede mencionar: iluminación en dispositivos de señalización (de tráfico y semáforos) y en paneles informativos. También se emplean en el alumbrado de pantallas de cristal líquido de teléfonos móviles, calculadoras, agendas electrónicas, en bicicletas y entre otras. 1.7.2 Conexión de un Diodo LED con una Resistencia La conexión del diodo LED con una Resistencia, sirve de protección (para que se NO queme) y para limitar la corriente que fluye en el LED. Lo cual significa que se debe conectar ó soldar al Ánodo (+) del diodo LED una terminal de la resistencia como se observa en la siguiente imagen:

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Robótica Educativa Práctica Las medidas pueden ser de 10 centímetros, 20 centímetros y 30 centímetros, vienen en kit de 40 unidades de diferentes colores. En la siguiente figura se puede aprecia el cable Jumper:

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Figura 54, cable jumper Macho – Macho de 20[cm] de 40 unidades.

Figura 55, circuito electrónico armado con cable jumper en el Protoboard.

1.10 Protoboard El Protoboard es un tablero de entrenamiento de circuitos electrónicos, que tiene la forma de un tablero rectangular con orificios que se encuentran conectados entre sí de manera interna siguiendo un patrón horizontal ó vertical. Es empleado para realizar pruebas de circuitos electrónicos, utilizando componentes electrónicos y cables de conexión. En la siguiente figura se puede aprecia el Protoboard:

\ Figura 56, Protoboard con línea de color rojo y azul de 800 puntos.

Figura 57, conexión interna del Protoboard.

También existen Protoboard de diferentes tamaños como ser:  Ultra Mini Protoboard de 25 puntos.  Mini Protoboard de 170 puntos.  Mini Protoboard de 400 puntos.  Protoboard de 800 puntos.  Protoboard de 1660 puntos.

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Robótica Educativa Práctica 1.12 Símbolos de los Componentes Electrónicos Representan los diferentes componentes electrónicos de forma esquemática, esta representación se presenta en el diseño de circuitos electrónicos en papel ó en algún software de simulación de circuitos electrónicos. El conocimiento de los símbolos es importante para comprender el funcionamiento de cualquier circuito electrónico. En la siguiente figura se puede apreciar el circuito electrónico en su representación de diagrama esquemático de símbolos y de forma física.

Figura 71, esquena de circuito electrónico de forma de símbolos.

Figura 72, circuito electrónico de forma física. El Diagrama esquemático, es una representación gráfica en lenguaje simbólico de los elementos que componen un circuito y la forma como están conectados entre si independientes de su ubicación ó sus características físicas.

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Robótica Educativa Práctica En la siguiente tabla se puede apreciar los símbolos de los componentes electrónicos más importantes. Nombre

Símbolo

Aspecto físico

Batería de 9[V]

Pila de 1,5[V]

Resistencia

Potenciómetro

Capacitor Cerámico

Capacitor Electrolítico

Inductor ó Bobina Pulsador de 2 pines

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CAPÍTULO 2 SENSORES 2.1 Concepto de Sensor Son componentes electrónicos que miden una magnitud física ó química, por ejemplo, temperatura, presión, posición, velocidad, fuerza y otros, y la transforma, en señales eléctricas. 2.2 Sensores en la Robótica Los sensores en la robótica tratan de imitar los sentidos humados, es decir el olfato, la vista, el tacto, el gusto y el oído. 2.3 Tipos de Sensores 2.3.1 Sensor de Luz El sensor de luz es conocido como fotorresistencia ó LDR (Light Dependen Resistor), es un sensor cuya resistencia eléctrica varía en función de la intensidad de la luz que recibe, de forma que cuando reciben un haz de luz permiten el paso de la corriente eléctrica por el circuito electrónico. Aplicación, cuando una persona ó algún obstáculo interrumpe el paso de la luz, la LDR aumenta su resistencia e interrumpe el paso de corriente por el circuito electrónico. En la siguiente figura se puede aprecia la fotorresistencia ó LDR.

Figura 1, fotorresistencia ó LDR.

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Robótica Educativa Práctica 2.3.2 Sensor Óptico Reflexivo Infrarrojo TCRT5000 El TCRT5000 es un sensor óptico reflexivo que consta de un emisor de luz infrarrojo y un fototransistor. El fototransistor detecta la luz que es reflejada cuando el objeto pasa enfrente del sensor. Aplicación, es ideal para la detección de líneas en Robot de seguidor de línea blanco ó negro, aunque es de utilidad en otros proyectos de electrónica. En la siguiente figura se puede aprecia el sensor óptico reflexivo TCRT5000.

Figura 2, sensor óptico reflexivo TCRT5000.

Figura 3, diagrama de conexión.

La forma más típica de conectarlo es a través de una resistencia de 220[Ω] con 5[V] de alimentación en el emisor y una resistencia de 10[kΩ] en el fototransistor a tierra. El TCRT5000 utiliza como un sensor óptico, ya que el emisor y el receptor están colocados linealmente y cuando se emite la luz infrarroja esta rebota en una superficie lo que hace que regrese al receptor, cuando el receptor no recibe ninguna señal quiere decir que no hay ningún objeto cerca. 2.3.3 Sensor Óptico Reflexivo Infrarrojo CNY70 El CNY70 es un sensor óptico infrarrojo de corto alcance, consta de una fuente de luz (diodo emisor) y detector (fototransistor). La detección del objeto se consigue por la reflexión (ó no) del haz infrarrojo sobre la superficie del objeto. Aplicación, en la robótica es para la construir robots seguidores de línea, robots de laberinto, robots sumo, velocista entre otras aplicaciones. En la siguiente figura se puede aprecia el sensor óptico reflexivo CNY70.

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Robótica Educativa Práctica 2.3.15 Sensor de Caudal Los sensores de flujo ó caudalímetro es un instrumento para la medición de caudal ó gasto volumétrico. El caudal es la cantidad de líquido o fluido (volumen) que circula a través de una tubería por unidad de tiempo, por lo general se expresa en: litros por minuto (l/min). Los caudalímetro suelen colocarse directamente en la tubería que transporta el fluido. También suelen llamarse medidores/sensores de caudal, medidores de flujo ó flujómetros. En la siguiente figura se puede aprecia el sensor de caudal.

Figura 23, sensor de flujo de agua 1/2" YF-S201.

Además existen otros sensores que miden diferente magnitudes físicas y químicas, por lo cual se lo deja de tarea al lector para que puede mejorar su conocimiento.

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CÁPITULO 3 MÓDULOS DE SENSORES Y MÓDULOS DE COMPONENTES ELECTRÓNICOS 3.1 Concepto de Módulo Sensor El módulo de sensor, es un bloque de piezas de componentes electrónicos que están conectados entre sí y que mide una magnitud física ó química (presión, compresión, calor, líquidos, presencia, gas, infrarrojo, temperatura, posición, agua, humedad velocidad, entre otros). Por ejemplo el modulo se sensor de movimiento PIR, es un módulo sensor que detecta la presencia de algún cuerpo que emite calor. 3.1.1 Diferencia Entre el Módulo Sensor y Sensor La diferencia entre el modulo sensor y sensor es lo siguiente: para los sensores se tiene que diseñar ó elaborar un circuito electrónico donde el sensor podrá funcionar adecuadamente. Mientras que el modulo sensor ya tiene incorporado el circuito electrónico de funcionamiento del sensor. En la siguiente figura se aclara dicha diferencia. Módulo sensor de movimiento PIR

Sensor de movimiento PIR

Como se puede observar este modulo ya tiene el circuito de funcionamiento del sensor movimiento.

Para hacer pruebas de funcionamiento del sensor de movimiento, se debe armar su circuito de funcionamiento.

Figura 1, diferencia entre el módulo sensor y sensor. Tienda de Componentes de Electrónica y Robótica Amaru

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Robótica Educativa Práctica 3.2 Concepto de Módulo de Componente Electrónico El módulo de componente electrónico, es un bloque de piezas de componentes electrónicos que están conectados entre sí, y cumplen un determinado objetivo según su característica del componente electrónico. Por ejemplo el módulo relé de un canal de disparo, permite controlar el encendido ó apagado de un equipo de alta potencia (electrodomésticos). El nombre del módulo de componente electrónico, se adopta del componente electrónico, por ejemplo componente Relé, modulo Relé. 3.2.1 Diferencia Entre el Módulo de Componente y Componente Electrónico La diferencia entre el módulo de componente y componente electrónico, es que para el componente electrónico se tiene que diseñar ó elaborar el circuito electrónico de funcionamiento. Mientras que el módulo de componente ya tiene incorporado el circuito electrónico de funcionamiento. En la siguiente figura se aclara dicha diferencia. Módulo Relé de 5[V]

Componente Relé de 5[V]

Como se puede observar este módulo Rele ya tiene el circuito de funcionamiento.

Como se puede observar para hacer pruebas de funcionamiento del componente Rele, se debe armar su circuito de funcionamiento.

Figura 2, diferencia entre el módulo de componente y componente electrónico Tienda de Componentes de Electrónica y Robótica Amaru

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Robótica Educativa Práctica 3.3.10 Módulo Sensor de Temperatura Analógico El módulo sensor de temperatura analógico LM35, es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1[oC] y un rango que abarca desde -55o a +150o[C]. Este módulo compatible con microcontroladores como el Arduino y Raspberry Pi. Aplicación, detección a nuevos niveles de capacidad, ya sea una estación meteorológica ó monitor de invernadero. Módulo sensor de temperatura analógica

Pines de conexión VCC: 5[V] GND: 0[V] OUT: OUT La salida es lineal y equivale a 10[mV/oC] por lo tanto: +1500[mV] = 150[oC] +250[mV] = 25[oC] -550[mV] = -55[oC]

Figura 12, módulo sensor de temperatura analógica LM35. 3.3.11 Módulo Sensor de Temperatura de Líquidos El modulo sensor de temperatura DS18B20 para líquidos tipo zonda, es una versión sumergible del conocido sensor de temperatura, se usa en el exterior o en contacto con líquidos. Este módulo compatible con microcontroladores como el Arduino y Raspberry Pi. Módulo sensor de temperatura para líquidos

Pines de conexión VDD: 5[V] GND: 0[V] OUT: DQ (Data IN/OUT) Rango de Temperaturas: -55[oC] a 125[oC] Longitud: 1 metro

Figura 13, módulo sensor de temperatura de líquidos. Tienda de Componentes de Electrónica y Robótica Amaru

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Robótica Educativa Práctica 3.3.12 Módulo Grabador de Voz y Sonido El módulo grabador de voz y sonido, trabaja bajo las características del integrado ISD1820 y te permite realizar grabaciones de múltiples mensajes ó la reproducción del mismo, éste realiza un almacenamiento permanente hasta que sea borrado ó cambiado el mensaje. Módulo grabador de voz y sonido

Pines de conexión VCC: 3,3[V] VCC; No debe funcionar a 5[V], de lo contrario se quemará. GND: 0[V] Duración de grabación: 10 segundos Parlantes de 8[Ω] Micrófono para grabación incluido en el módulo.

Figura 14, módulo grabador de voz y sonido. 3.3.13 Módulo Zumbador de Altavoz Activo Los zumbadores ó Buzzer activos, son dispositivos que generan un sonido de una frecuencia determinada y fija cuando son conectados a voltaje de trabajo. Módulo zumbador de altavoz activo

Pines de conexión VCC: 3,3 - 5[V] GND: 0[V] IN: INPUT/OUTPUT Si necesita conectar un Buzzer activo de mayor potencia, se debe emplear un transistor BJT, ó MOSFET para amplificar la corriente, ó emplear una salida por relé.

Figura 15, módulo Zumbador de altavoz activo.

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Robótica Educativa Práctica 3.3.24 Módulo Sensor Velocímetro Es un módulo sensor de velocidad cuyo objetivo principal es comprobar el tipo de motor. Ha sido ampliamente utilizado en la detección de la velocidad del motor, contador de pulsos, límite de posición entre otras aplicaciones. Módulo sensor velocímetro

Pines de conexión VCC: 3,3 - 5 [V] GND: 0[V] OUT: Salida Digital (0 ó 1) Salida OUT, emite un nivel bajo (0) cuando no hay bloque en la ranura, de lo contrario produce un nivel alto (1).

Figura 26, módulo sensor velocímetro. 3.3.25 Módulo Acelerómetro Este módulo está basado en el sensor MPU 6050 y contiene todo lo necesario para dar a los proyectos a realizar la capacidad de medir el movimiento, combina un giroscopio de 3 ejes y un acelerómetro de 3 ejes en un mismo chip. El giroscopio, mide la velocidad angular. El acelerómetro mide la aceleración. La aceleración puede expresarse en 3 ejes de coordenadas: X, Y y Z las tres dimensiones del espacio. Aplicación, su uso para implementar en proyectos de robótica donde se requiera controlar la inclinación, giro y altitud como podría ser en aeromodelismo. Módulo acelerómetro

Pines de conexión VCC: 3,3 - 5 [V] GND: 0[V] Grados de libertad son 6 SCL: SCL SDA: SDA XDA:XDA AD0: AD0

Figura 27, módulo acelerómetro. Tienda de Componentes de Electrónica y Robótica Amaru

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Robótica Educativa Práctica 3.3.26 Módulo Sensor de Detección de Movimiento Este módulo contiene un sensor Piroeléctrico, el cual puede detectar cambios de radiación infrarroja. Todo objeto (ó cuerpo humano) emite cierto nivel de radiación, y entre mayor temperatura tenga, mayor radiación emitirá. El modulo sensor PIR son perfectos para detectar cuando una persona ingresa ó abandona un espacio. Su aplicación en especial en sistemas de seguridad, iluminación automática, automatización y control industrial, puertas y timbres automáticos. Módulo sensor de detección de movimiento

Pines de conexión VCC: 3,3 - 5[V] GND: 0[V] Salida: Pulso lógico de 3,3[V] Rango de detección: 3 a 7 metros, ajustable. Angulo de detección: