Controlando un relé con una salida del conector GPIO del Raspberry Pi

En entradas anteriores he ido ampliando progresivamente las posibilidades de utilización de la Raspberry Pi, empezando, como no podía ser de otra manera, por la instalación del sistema operativo Raspbian, y he continuado con la implementación de una tarjeta de expansión del GPIO, de 2x13 pines. He sido capaz de utilizar el bus i2c para acceder a un Reloj en Tiempo Real, y de controlar las salidas digitales de un mcp23008 y mcp23017. La he integrado plenamente en mi red local, pudiendo comunicarme desde otro ordenador mediante el uso del comando ssh desde un terminal remoto. He instalado LAMP y phpmyAdmin, con lo que he potenciado mi RaspPi haciendo que pase a ser un servidor dinámico de páginas Web.
¿Qué más puedo hacer? Multitud de cosas. Pero en esta entrada voy a centrarme en el control de una salida digital que actuará un relé, activándolo o desactivándolo, a nuestra conveniencia. Oiremos un leve chasquido cada vez que actuemos sobre el relé, cambiándolo de estado. Pero para que dicho cambio de estado sea más visible (aparte de audible) conectaremos un LED tricolor (utilizaremos sólo dos colores) que cambiará entre dos colores (verde y azul) dependiendo del estado del relé (excitado o desexcitado).

Material necesario

El material que he utilizado para este montaje es el siguiente:

• 1 relé Finder : Serie 30 - Relé subminiatura D.I.L. 2 A (30.22.7.005.0010), u otro de similares características.
• 3 resistencias de 330 ohmios.
• 1 LED tricolor  con cátodo común, o también nos valdría leds sencillos.
• 1 diodo 1N4001.
• 1 transistor NPN 2N2222A.
• 1 protoboard.
• conector de expansión (desarrollado por mi) para conexión de la protoboard al RaspPi. Ver entrada anterior en este blog (Conectando la Raspberry Pi a una protoboard).

Si he utilizado un LED tricolor ha sido porque no disponía de LEDs sencillos ¿?. Con un par de LEDs podríamos realizar el mismo montaje de prueba.
He probado el montaje con dos relés de distintas marcas pero con características similares, y el montaje ha funcionado perfectamente. 

Diseño del circuito

Para el diseño del circuito hemos utilizado el programa Fritzing. La mayoría de los componentes forman parte de la librería estándar del programa, exceptuando el relé, que he tenido de modificar/adaptar a las características del relé utilizado, y que incluyo el enlace para poder utilizarlo. También incluyo el enlace del componente correspondiente al conector de expansión.

Las partes críticas del diseño corresponden a los valores de las resistencias. Debemos tener en cuenta, por un lado, que los 5Vdc que proporciona la RaspPi a través del conector GPIO P1 de 2x13 pines, están muy limitados ( a menos de 300mA). Además, la corriente que puede proporcionar cada uno de los pines del conector GPIO (en este caso estamos utilizando la salida GPIO25) en teoría se limita a 3mA. Pero parece ser que este límite es en teoría (ver Understanding Outputs), ya que en la práctica se han hecho cálculos de que una salida puede llegar a dar 16mA pero con el límite de 51mA para el conjunto de todas las salidas.
El relé requiere una corriente de excitación de su bobina de al menos 30 mA. Por lo que pondremos un transistor que amplifique suficientemente la corriente del pin GPIO25, para despreocuparnos del asunto, transistor NPN que atacaremos su base con la salida GPIO25. Limitaremos la corriente de salida del GPIO25 con una resistencia de 330 ohmios (3,3V - 0,6V = 2,7V => 2,7/330 = 8,2mA). Con una ganancia del transistor (hFE) de al menos 35, tendría la posibilidad de proporcionar, si fuera preciso, una corriente de 287 mA, corriente que estará de todos modos limitada por la resistencia de la bobina del relé (125Ω) a 32mA (5V - 1Vce = 4Vdc => 4/287=32mA).

Montaje del diseño en la protoboard

Una vez realizadas las comprobaciones pertinentes, pasaremos a montar todos los componentes en la protoboard, con la RaspPi sin tensión. Comprobaremos concienzudamente la polaridad de los diodos y transistores y una vez que estemos seguro de ello, conectaremos el cable plano entre la RaspPi y el conector de expansión y alimentaremos a la RaspPi.

Prueba del montaje

Para comprobar que el montaje funciona bien utilizaré una utilidad que viene con la librería WiringPi, de acceso al conector GPIO. Podemos comprobar que se ha instalado previamente tecleando en la consola remota, abierta con ssh, la instrucción gpio -v. Si nos da un error, deberemos instalarla. Por si no la hubiéramos instalado previamente, indico a continuación las instrucciones a seguir para su instalación:

sudo apt-get install git-core
sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade
git clone git://git.drogon.net/wiringPi
cd wiringPi
git pull origin
cd wiringPi
./build

La primera instrucción será precisa si no tuviéramos instalado el software de control de versiones Git.
Una vez instalada, podemos comprobar que se ha instalado perfectamente tecleando de nuevo:

gpio -v
gpio -h
gpio readall

pudiendo ver en las siguientes imágenes lo que nos muestran estas instrucciones.

Ha funcionado a la perfección. La última sentencia nos ha mostrado el estado de los 20 pines del conector GPIO, y la relación biunívoca entre el pin físico y lógico. Se descartan los pines de alimentación y de puesta a tierra.
Procedamos a cambiar de estado el relé, ejecutando las siguientes instrucciones:

La primera instrucción pone el pin lógico 25 como salida. La siguiente instrucción activa la salida y por tanto el relé, con lo que cambia el color del LED tricolor, y con la última instrucción desactiva la salida y conescuentemente el relé, por lo que el led tricolor recupera el color original. En las instrucciones hemos incluido el parámetro -g para indicarle que estamos utilizando los pines lógicos.
Bien, eso es todo. Como siempre, confío en que esta entrada sea de interés y, también, de nuevo reiterar que agradecería todos los comentarios de los lectores, comentarios que sean para ampliar, mejorar, rectificar, etc. o proponer nuevas entradas que sirvan para resolver y aclarar dudas y aprender nuevos usos de la tarjeta Raspberry Pi, o de otros temas técnicos.

Enlaces

- Finder : Serie 30 - Relé subminiatura D.I.L. 2 A.
- Full-Spectrum Multicolor Discrete RGB LEDs with Leads.
- Hoja de características diodo 1N4001.
- Hoja de características transistor NPN 2N2222A.
- Raspberry Pi Wiki Hub.
- GPIO current specifications.
- Understanding Outputs
- How to use GPIOs on raspberry pi (Simple I/O, PWM and UART)
- Raspberry Pi – Driving a Relay using GPIO.
- Raspberry Pi, interactuando con GPIO desde la línea de comandos.
- Git (software de control de versiones).
- Wiring Pi.
- The GPIO utility.
- Fritzing.
- RelayControlledByRaspPi.

- Relay DPDT 2 x switch.

Del MCP23008 al MCP23017 (de 8 bits a 16 bits mediante el interfaz i2c)

En la entrada anterior expusimos el modo de utilizar el MCP23008 para ampliar las salidas digitales del Raspberry Pi, en 8 bits por circuito integrado. En esta nueva entrada expondremos el modo de utilizar el MCP23017 para extender aún más las entradas/salidas digitales, hasta un total de 16 bits, por MCP23017 utilizado.
No voy a partir de cero, por lo que recomiendo leerse con anterioridad la entrada de este mismo blog: Expandiendo las Entradas y Salidas Digitales de Raspberry Pi con el MCP23008.

En el montaje virtual que hemos realizado con el programa Fritzing, podemos observar dos bloques de 8 LEDs cada uno, los rojos están conectados al puerto A del circuito integrado MCP23017, y los verdes al puerto B del mismo chip. Como en la entrada del MCP23008, cada LED está serializado con una resistencia de 330 ohmios, Así evitamos un excesivo consumo de corriente, evitando que las salidas de la RaspPi no lleguen a dañarse, por un lado, y por el otro, que la propia RaspPi sea capaz de proporcionar el consumo necesario para encender a todos los LEDs simultáneamente.

Lista de materiales

EL material requerido para este montaje es el siguiente:

• 1 MCP23017 (empaquetado en DIL28)
• 16 resistencias de 330 ohmios
• 8 LEDs rojos
• 8 LEDs verdes
• conector de expansión (desarrollado por mi) para conexión de la protoboard al RaspPi. Ver entrada anterior en este blog (Conectando la Raspberry Pi a una protoboard).

Evidentemente, para realizar las pruebas que queremos hacer, no se requieren que los LEDs sean del color indicado, ni que compremos tantos LEDs. Con poner algunos en ambos puertos, podremos comprobar que el montaje funciona.
En el montaje virtual he utilizado el mismo código de colores que en el montaje realizado para el MCP23008, por lo que no voy a extenderme en ello.

Características del MCP23017

Este chip, al igual que el MCP23008, tiene un espacio de direcciones que van desde 0x20 a 0x27, en función de los valores que vayan tomando los 3 bits de direccionamiento, A2, A1 y A0. En nuestro caso, estos tres bits están puestos a CERO.

Desde un punto de vista de programación, este chip dispone de 11 pares de registros, de 8 bits cada uno, con los que gestionamos su funcionalidad, leyendo/escribiendo en ellos a través del interfaz I2C. Uno de los registros (IOCONA/B) está compartido por ambos bancos. Esto significa que lo que hagamos en uno de ellos se reflejará en el otro. Este registro común nos permite configurar el modo de operar y de organizar los 22 registros.

Para este ejemplo, vamos a configurar los 11 pares de registros en dos bloques diferenciados, uno para el puerto A, direccionables por el interfaz i2c en el rango 0x00-0x0A, y el otro para el puerto B, en el rango 0x10-0x1A. La estructura de los registros una vez configurados convenientemente es la que mostrada en la siguiente imagen.

Pero esta disposición de registro no es la que tenemos nada más alimentarlo. Al darle tensión, todos los registros se inicializan a 0x00, excepto los IODIRA/B que lo hacen a 0xff, pasando a estar todos los bits de E/S en modo entrada. Tendremos que actuar, por tanto, sobre algunos bits del doble registro IOCONA/B para configurarlo tal como queremos:

• IOCON.BANK = 1, registros agrupados por Banco A o B.
• IOCON.SEQOP = 1, lectura/escritura de un byte (no secuencial).
• IODIRA/B = 0x00, todos los bits de ambos puertos en modo salida.

Debemos tener en cuenta que, al arranque, la disposición de los registros es distinta (IOCON.BANK = 0) y el modo de operar es secuencial (IOCON.SEQOP = 0). Por tanto, al arranque, tendremos que considerar al doble registro IOCONA/B ubicado en la dirección como 0x0A/0x0B, direcciones que utilizaremos al dirigirnos a ellos por el protocolo i2c.

Los bits BANK y SEQOP corresponden a los bits B7 y B5 del registro IOCON. Por lo que para poner ambos bits a '1' escribiremos en el registro IOCON el valor 0xA0 (b10100000). Este registro se puede direccionar indistintamente tanto por el puerto A, en 0x0A, como por el puerto B, en 0x0B. Debemos tener muy en cuenta que, una vez configurado el circuito integrado del modo en el que lo hemos hecho, las direcciones de acceso al registro IOCON pasan a ser indistitamente 0x05 (IOCONA) o 0x15 (IOCONB).

El programa ejemplo mcp23017

Antes de proceder con el nuevo programa podemos hacer una prueba con los otros dos programas ejemplo que desarrollamos para el MCP23008, y comprobar que también se ejecutan. Eso sí, solo parpadeadarán los LEDs rojos, los del puerto A.

Si ejecutamos el programa mcp23017 con la opción de ayuda (-h, o también --help) se muestra la funcionalidad que se ha implementado. 

El programa permite gestionar el circuito integrado. Por ejemplo, la opción --show muestra la distribución de los registros internos, y sus valores:

Vemos claramente, con el bit IOCON.BANK activo, la distribución de los registros en dos bloques idénticos, equivalentes al bloque existente en el MCP23008, 11 pares de registros, un par direccionable entre 00h y 0Ah y el otro par entre 10h y 1Ah.  En cambio, si desactivamos el bit IOCON.BANK, el programa muestra otra distribución de registros:

En esta configuración los registros de cada bloque se van alternando, dentro de un rango de direcciones entre 00h y 15h. Podemos observar que tanto IOCONA (0Ah) como IOCONB (0Bh) contienen el mismo valor (0x28), distinto de lo que hemos grabado en él (0x29), porque el bit menos significativo, al leerlo, devuelve el valor '0'.
En la imagen anterior vemos el modo de alterar un registro que es indicando el registro (mediante la etiqueta correspondiente) al que queremos acceder y el valor a escribir.
La opción --mode nos muestra el valor del registro IOCON (A=B) o podemos alterarlo escribiendo en él un valor entre 0x00 y 0xFF (0 y 255).
FInalmente, podemos activar tres demos de activación de los LEDs con distintos patrones: random, counter y flash. En la demo random, en un bucle sin fin, escribimos dos valores aleatorios y distintos simultáneamente a ambos puertos (GPIOA y GPIOB), esperamos 'n' milisegundos, e iniciamos de nuevo el bucle. Si pulsamos <CTRL-C> abortamos el programa. La demo counter, los bits del puerto A muestran de forma binaria el valor de un contador que se incrementa cada 'n' milisegundos. El puerto B muestra de forma binaria a un contador decrementándose con la misma cadencia. Y por último, la demo flash va alternando cada 'n' milisegundos el encendido completo de cada puerto.
En Enlaces está la dirección del fichero mcp23017.rar, que una vez descomprimido se puede generar el ejecutable invocando desde un terminal de comandos make all.
Y eso es todo. En una próxima entrada hablaré de la gestión de las entradas y de las interrupciones.

Enlaces

- MCP23017/MCP23S17 datasheet
- I2C access examples
- Source Package: i2c-tools (3.1.0-2)
- i2c - dev-interface
- Using I2C from userspace in Linux
- Raspberry pi and i2c gpios
- Expandiendo las Entradas y Salidas Digitales de Raspberry Pi con el MCP23008
- Fritzing
- MCP23017.fzz
- mcp23017.rar