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SISTEMA DIGITAL DETECTOR DE VEHICULOS PARA EL INGRESO A UN ESTACIONAMIENTO
por Oslo Zambrano Sánchez
Presentado a la academia de Sistemas Digitales y Comunicaciones del Instituto de Ingeniería y Tecnología de La Universidad Autónoma de Ciudad Juárez para su evaluación
LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ Octubre del 2009
SISTEMA DIGITAL DETECTOR DE VEHICULOS PARA EL INGRESO A UN ESTACIONAMIENTO
Presidente de la academia
___________________________________________
M.C. Abdi Delgado Salido Asesor
___________________________________________
Oslo Zambrano Sánchez Alumno
___________________________________________
Introducción
de
protocolo.
En
el
siguiente
protocolo
de
titulación
se
verá
reflejada
una
investigación
para
llevar
a
cabo
el
diseño
y
construcción
de
un
sistema
digital
detector
de
vehículos
para
el
ingreso
a
un
estacionamiento,
en
el
trabajo
se
realizaran
investigaciones
de
empresas
que
residen
en
México,
las
cuales
ofrecen
servicios
para
apoyar
la
administración,
control
y
flujo
del
tránsito
vehicular.
Se
verán
las
opciones
ya
existentes
para
poder
sensar
la
presencia
de
un
automóvil,
inclinándonos
por
la
realización
de
un
lazo
inductivo
adhiriéndolo
en
la
superficie
a
colocarse,
para
posteriormente
investigar
sobre
el
diseño
de
osciladores
inductivos
para
poder
crear
un
campo
electromagnético
que
al
ser
interferido
con
cualquier
material
ferroso,
en
este
caso
el
chasis
y
motor
de
un
vehículo,
implique
un
cambio
en
su
frecuencia
y
podamos
determinar
la
presencia
del
vehículo
mediante
un
decodificador
de
datos,
construido
a
base
de
los
conocimientos
adquiridos
en
la
universidad,
realizando
una
investigación
para
elegir
un
microcontrolador
apto
para
lo
requerido,
determinando:
el
fabricante,
conjunto
de
instrucciones
a
utilizar,
la
arquitectura,
los
dispositivos
internos
que
se
utilizaran,
los
periféricos,
los
registros,
bancos
de
memoria
y
todo
lo
que
conlleve
a
la
perfecta
elección
del
microcontrolador
adecuado,
para
la
resolución
del
problema.
El
protocolo
de
titulación
indicara
las
herramientas
de
desarrollo
a
utilizar,
como
lo
son
desarrollo
de
software,
simulación
y
creación
de
PCBs.
Todas
estas
herramientas
utilizadas
para
corroborar
el
perfecto
funcionamiento
del
dispositivo
diseñado
y
poder
finalizar
creando
un
dispositivo
físico
de
la
calidad
que
se
merece
la
Universidad
Autónoma
de
Ciudad
Juárez,
para
poder
dejar
en
ella.
En
los
antecedentes
del
problema
se
quiere
dar
a
conocer
los
sistemas
ya
existentes
para
poder
asimilar
el
costo
elevado
y
corroborar
que
los
servicio
que
ofrecen
dichos
sistemas
quedan
sobrados
para
la
solución
del
planteamiento
del
problema,
dando
así
en
la
justificación
al
problema
un
tipo
de
comparación
que
satisface
y
resuelve
el
problema
establecido,
aplicando
conocimientos
rasos
para
la
perfecta
solución
al
problema
planteado.
Antecedentes
del
problema.
Para
sensar
la
presencia
de
un
vehículo
sobre
el
asfalto,
cemento,
concreto
o
cualquier
otra
superficie
existe
la
forma
de
realizarlo
mediante
un
lazo
inductivo,
o
mejor
conocido
como
un
loop
de
piso,
el
cual
consta
de
una
bobina
hecha
con
cable
de
un
calibre
aproximado
de
entre
16
y
14AWG
este
cable
debe
de
tener
un
aislamiento
de
nylon
o
PVC.
El
lazo
inductivo
debe
de
tener
un
retorno
el
cual
se
puede
fabricar
ya
sea
con
el
mismo
cable
del
lazo
o
con
un
cable
independiente,
se
le
tendrá
que
dar
una
razón
de
20
vueltas
por
metro
si
la
distancia
de
retorno
es
menor
a
los
30metros.
Se
tendrá
que
dar
una
regata
en
el
pavimento
para
evitar
el
deterioro
y
corrosión
por
agentes
externos
y
no
dañar
o
alterar
el
buen
funcionamiento
del
bucle
para
no
afectar
en
las
mediciones
del
circuito
detector.
Una
vez
comprobado
su
buen
funcionamiento
se
tendrá
que
dar
un
relleno
a
base
de
silicona
o
resina
epóxica,
concluido
todo
el
labor,
aplicando
las
actividades
que
conllevan
a
la
ingeniería
civil.
De
esta
forma
se
dejará
listo
para
implementar
el
sistema
digital
detector
de
vehículos
para
el
ingreso
a
un
estacionamiento.
[1]
Existen
diferentes
versiones
de
sistemas
para
la
detección
de
vehículos,
para
adaptarse
a
cada
tipo
de
detección
de
una
forma
fiable
y
segura,
dependiendo
de
las
necesidades
y
requerimientos
de
lo
que
se
desea
sensar,
los
diferentes
rangos
deseados
a
sensar,
los
materiales
y
especificaciones
físicas
que
se
necesiten
detectar,
entre
otras
características.
Estas
son
algunas
de
las
formas
alternativas
existentes
para
poder
aplicarse
en
ingeniería
de
transito
y
mantener
este
tipo
de
control
vehicular,
como
lo
es
la
detección
a
partir
de
“detectores
elevados
de
datos
de
transito”,
estos
son
sistemas
elevados
para
colocarse
en
la
calzada
a
una
razón
de
5
a
12m
de
altura
para
la
determinación
e
identificación
vehicular
en
las
principales
tecnologías:
láser
visible
activo,
detector
infrarrojo
pasivo,
radar
a
hiperfrecuencia,
radar
a
efecto
doppler,
detector
ultrasónico,
detector
de
imagen
para
generación
de
lazos
inductivos
virtuales,
detectores
de
video
de
uso
general
y
para
aplicaciones
especiales.
Los
sistemas
de
detección
vehicular
mediante
sensor
de
laser
visible
activo
se
utilizan
para
la
detección
de
presencia
y
determinación
de
las
dimensiones
y
de
la
velocidad
de
los
vehículos
en
circulación,
el
sensor
Autosense
II
obtiene
la
imagen
del
vehículo
y
a
partir
de
ella
efectúa
la
clasificación
y
determina
sus
dimensiones.
El
sensor
proporciona
la
siguiente
información:
longitud,
alto
y
ancho
del
vehículo;
posición
respecto
al
acotamiento;
velocidad;
detección
de
barra
de
tracción;
y
relé
de
disparo
para
cámara
fotográfica
o
equipo
de
alarma,
o
similar.
El
sistema
de
clasificación
vehicular
por
numero
de
ejes
mediante
sensor
de
laser
visible
activo
fue
diseñado
para
montaje
lateral
y
fuera
del
carril
de
transito,
el
Autosense
serie
700
proporciona
a
cada
carril
detección
del
vehículo,
separación
entre
ejes,
velocidad,
numero
de
ejes
y
salida
de
relé
para
disparo
de
cámara
fotográfica
de
control.
El
sistema
opera
emitiendo
dos
haces
de
rayos
láser
que
escanean
el
lateral
del
vehículo
(automóvil,
camión,
autobús)
en
orden
a
determinar
el
número
de
ejes
del
vehículo
sobre
la
calzada.
El
sistema
es
un
sustituto
ideal
para
los
lazos
y
sensores
de
ejes
tanto
en
carreteras
abiertas
como
en
entornos
de
barreras
y
peajes.
[2]
Los
detectores
de
vehículos
mediante
la
simulación
de
lazo
virtual
crean
una
detección
óptima
y
una
solución
económica.
El
detector
universal
en
tecnología
“Image
Sensor”
representa
un
concepto
revolucionario.
Simula
el
funcionamiento
de
un
lazo
virtual
parametrable
y
sin
ingeniería
civil.
La
utilización
de
alta
tecnología
en
ingeniería
y
en
tratamiento
de
señal
como
un
nivel
de
integración
excepcional
permiten
presentar
este
detector
en
una
caja
monobloc
compacta.
Completamente
autónomo,
discreto
y
estético,
el
sistema
se
instala
fácilmente
sin
tener
que
recurrir
a
utilizar
pantallas
de
visualización
externas.
El
telemando
infrarrojo
dispone
de
opción
para
facilitar
las
modificaciones
de
parametraje
en
sitio.
Se
utiliza
para
aplicaciones
como:
regulación
del
tránsito,
control
de
luces
de
tránsito,
detección
de
giro
a
la
izquierda,
detección
de
carril
de
bus,
generación
de
lazo
virtual,
control
de
accesos
(puertas,
barreras,
etc...),
aforo
vehicular.
El
sistema
"TRANSCOM"
se
compone
de
una
antena
de
radio
y
de
una
caja
de
interface,
y
permite
la
transmisión
bidireccional
sin
hilos
entre
el
lugar
donde
están
situados
los
detectores
y
el
órgano
de
control.
Este
sistema
se
utiliza
para
informar,
por
ejemplo,
el
estado
de
los
relés
secos
hasta
una
distancia
de
400m
en
campo
a
la
vista.
Su
tecnología
innovadora
asegura,
por
radio
modem
(433
MHz)
comunicaciones
muy
seguras
en
tiempo
real.
Asociado
a
un
código
polinominal,
esta
solución
garantiza
una
conexión
de
muy
alta
fiabilidad.
[3]
Existen
detectores
de
vehículos
mediante
radares
a
hiperfrecuencia,
como
lo
es
el
radar
de
alta
tecnología,
SPOT
utiliza
el
principio
de
Doppler
Fizeau,
en
banda
de
frecuencia
de
24,125
GHz.
Gracias
a
ésta
muy
elevada
frecuencia,
y
a
una
extrema
miniaturización,
el
Radar
SPOT
obtiene
unas
prestaciones
excepcionales,
montado
en
caja
estanca
y
compacta.
Cada
parámetro:
alcance,
sentido
de
marcha,
movimiento
mínimo,
se
ajustan
sin
desmontajes
incómodos
desde
la
cara
frontal
(sin
tornillos).
Un
Telemando
Infrarrojo
opcional
facilita
las
modificaciones
de
los
parámetros
a
distancia,
con
visualización
inmediata
del
resultado.
A
diferencia
del
Radar
a
micro‐ondas
convencional
que
determina
la
distancia
a
la
que
se
encuentra
un
objeto,
en
movimiento
o
parado,
en
función
del
tiempo
entre
la
emisión
y
la
recepción
de
la
onda
reflejada,
el
radar
a
efecto
doppler
determina
la
velocidad
de
un
objeto
en
movimiento
comparando
la
frecuencia
de
la
onda
emitida
con
la
frecuencia
de
la
onda
reflejada.
El
Radar
hiperfrecuencia
24.125
GHz
va
conectado
a
un
procesador
muy
potente
del
tipo
HCmos
el
cual,
aumenta
la
fiabilidad
de
funcionamiento.
Este
sistema,
basado
en
modulación
de
portadora
a
24,125
GHz
asegura
una
comunicación
de
largo
alcance
y
excelente
fiabilidad
entre
el
emisor
embarcado
sobre
el
vehículo
y
el
receptor
montado
en
el
controlador
de
tránsito.
La
codificación
manual
o
automática
por
enlace
serie
permite
gestionar
una
flota
de
autobuses
en
medio
urbano.
La
caja
estanca
y
compacta,
con
conector
desenchufable
permite
una
integración
rápida
y
estética
y
asegura
la
gestión
de
los
controladores
de
tránsito
sin
trabajos
de
ingeniería
civil.
Todos
los
parámetros
del
sistema
se
ajustan
en
su
parte
frontal,
sin
necesidad
de
laboriosos
desmontajes.
El
telecomando
infrarrojo
en
opción
sobre
el
receptor
facilita
las
modificaciones
de
parametraje
a
distancia
con
una
visualización
inmediata
del
resultado.
[4]
Planteamiento
del
problema.
En
la
Universidad
Autónoma
de
Ciudad
Juárez,
se
ha
visto
un
problema
para
el
acceso
a
estacionamientos
de
la
institución,
este
problema
tiende
a
agravarse
debido
a
la
misma
tasa
de
incremento
estudiantil
por
ende
un
aumento
significativo
de
vehículos
a
querer
ingresar
al
estacionamiento.
Actualmente
se
lleva
a
cabo
un
proyecto
piloto
para
controlar
la
entrada
de
vehículos
a
un
estacionamiento,
el
cual
cuenta
con
un
dispositivo
detector
de
vehículos
que
fue
suministrado
por
empresas
extranjeras
para
la
aplicación
en
dicha
necesidad.
Se
puede
llegar
a
pensar
que
para
futuros
mantenimientos,
o
rediseños
siempre
se
estará
siendo
dependiente
del
soporte
técnico
del
suministrador
del
dispositivo.
Por
lo
tanto
siempre
se
tendrá
contemplado
un
gasto
elevado
para
la
adquisición,
aplicación
y
mantenimiento
del
proyecto.
Marco
teórico.
“La
electricidad
y
el
magnetismo
guardan
una
estrecha
relación
entre
sí.
En
efecto,
veremos
que
son
inseparables
aunque
hablamos
de
fuerzas
eléctricas
y
de
fuerzas
magnéticas.
Hay
una
distinción
entre
la
fuerza
eléctrica
estática
de
Coulomb
y
la
fuerza
magnética,
que
incluye
cargas
eléctricas.
Puesto
que
ambas
fuerzas
se
originan
esencialmente
en
cargas
eléctricas,
algunas
veces
se
aplica
a
las
dos
la
designación
fuerza
eléctrica”.
[5]
Los
sensores
inductivos
son
de
gran
utilización
hoy
en
día,
ya
sea
por
la
industria
en
muchos
de
sus
procesos
para
la
detección
de
materiales
ferrosos
o
en
aplicaciones
cotidianas
para
la
sociedad,
como
en
el
control
vehicular,
como
es
nuestro
caso
de
estudio.
Los
campos
magnéticos
tienen
su
origen
en
las
corrientes
eléctricas:
una
corriente
más
fuerte
resulta
en
un
campo
más
fuerte.
Un
campo
eléctrico
existe
aunque
no
haya
corriente.
Cuando
hay
corriente,
la
magnitud
del
campo
magnético
cambiara
con
el
consumo
de
potencia,
pero
la
fuerza
del
campo
eléctrico
quedara
igual.
Existen
diferentes
fuentes
de
generación
de
campos
electromagnéticos,
en
el
medio
en
que
vivimos,
hay
campos
electromagnéticos
por
todas
partes,
pero
son
invisibles
para
el
ojo
humano.
Se
producen
campos
eléctricos
por
la
acumulación
de
cargas
eléctricas
en
determinadas
zonas
de
la
atmosfera
por
efecto
de
las
tormentas.
El
campo
magnético
terrestre
provoca
la
orientación
de
las
agujas
de
los
compases
en
dirección
norte‐sur,
los
pájaros
y
peces
lo
utilizan
para
orientarse.
Además
de
las
fuentes
naturales,
en
el
espectro
electromagnético
hay
también
fuentes
generadas
por
el
hombre:
Para
diagnosticar
la
rotura
de
un
hueso
por
un
accidente
deportivo,
se
utilizan
rayos
X.
La
electricidad
surge
de
cualquier
toma
de
corriente
lleva
asociados
campos
electromagnéticos
de
frecuencia
baja.
Además,
diversos
tipos
de
ondas
de
radio
de
frecuencia
más
altas,
se
utilizan
para
transmitir
información,
ya
sea
por
medio
de
antenas
de
televisión,
estaciones
de
radio
o
estaciones
base
de
telefonía
móvil.
Por
lo
tanto
para
la
realización
del
sistema
digital
detector
de
vehículos
para
el
ingreso
a
un
estacionamiento,
se
deben
considerar
estos
fenómenos
naturales
como
interferencia
a
nuestro
sistema,
que
podrían
afectar
en
la
percepción
del
sensor.
Una
de
las
principales
magnitudes
que
caracterizan
un
campo
electromagnético
es
su
frecuencia,
o
la
correspondiente
longitud
de
onda.
El
efecto
sobre
el
organismo
de
los
diferentes
campos
electromagnéticos
está
en
función
de
su
frecuencia.
La
frecuencia
simplemente
describe
el
número
de
oscilaciones
o
ciclos
por
segundo,
mientras
que
la
expresión
se
refiere
a
la
distancia
entre
una
onda
y
la
siguiente.
Por
consiguiente,
la
longitud
de
onda
y
la
frecuencia
están
inseparablemente
ligadas:
cuanto
mayor
es
la
frecuencia,
más
corta
es
la
longitud
de
onda.
“La
impedancia
de
una
bobina
por
la
que
circula
una
corriente
alterna
queda
alterada
si
se
produce
una
superficie
conductora
dentro
de
su
campo
magnético.
Ello
es
debido
a
que
se
inducen
corrientes
de
Foucault
en
la
superficie
que
crean
su
propio
campo
magnético,
opuesto
al
de
la
bobina.
Cuanto
más
próximas
estén
la
bobina
de
la
superficie,
mayor
será
el
cambio
de
impedancia”.
[6]
Los
sensores
de
proximidad
inductivos
contienen
un
devanado
interno.
Cuando
una
corriente
circula
por
el
mismo,
un
campo
magnético
es
generado,
cuando
un
metal
es
acercado
al
campo
magnético
generado
por
el
sensor
de
proximidad,
éste
es
detectado.
La
bobina
del
sensor
induce
corrientes
de
Foucault
en
el
material
a
detectar.
Estas,
a
su
vez,
generan
un
campo
magnético
que
se
opone
al
de
la
bobina
del
sensor,
causando
una
reducción
en
la
inductancia
de
la
misma.
Esta
reducción
en
la
inductancia
de
la
bobina
interna
del
sensor,
trae
aparejado
una
disminución
en
la
impedancia
de
ésta.
“La
corriente
de
Foucault
(o
corriente
parásita)
es
un
fenómeno
eléctrico
descubierto
por
el
físico
francés
León
Foucault
en
1851.
Se
produce
cuando
un
conductor
atraviesa
un
campo
magnético
variable,
o
viceversa.
El
movimiento
relativo
causa
una
circulación
de
electrones,
o
corriente
inducida
dentro
del
conductor.
Estas
corrientes
circulares
de
Foucault
crean
electroimanes
con
campos
magnéticos
que
se
oponen
al
efecto
del
campo
magnético
aplicado”.
[7]
El
análisis
y
diseño
en
el
dominio
de
la
frecuencia
ofrece
varias
técnicas
graficas
y
semigráficas
aplicables
en
sistemas
de
control
lineales
e
invariables
en
el
tiempo
casi
de
cualquier
complejidad.
Desde
un
punto
de
vista
histórico,
el
análisis
y
diseño
en
el
dominio
de
la
frecuencia
de
sistemas
de
control
de
datos
continuos
es
un
campo
bien
desarrollado
y
prácticamente
todos
los
métodos
de
este
pueden
extenderse
a
los
sistemas
de
control
digital.
Métodos
tan
conocidos
como
el
criterio
de
Nyquist
para
el
análisis
de
la
estabilidad,
los
diagramas
de
Bode
y
la
grafica
de
Nichols
puede
adecuarse
con
facilidad
al
análisis
y
diseño
de
sistemas
de
control
digital.
La
característica
básica
del
método
de
la
respuesta
en
el
dominio
de
la
frecuencia
es
la
descripción
del
desempeño
de
un
sistema
lineal
e
invariable
en
el
tiempo
se
da
en
términos
de
la
respuesta
de
estado
estacionario
a
señales
de
entrada
que
cambian
de
manera
senoidal.
El
punto
importante
del
problema
es
que
las
características
del
desempeño
en
el
dominio
del
tiempo
de
un
sistema
lineal,
pueden
predecirse
con
base
en
la
información
proporcionada
por
el
análisis
senoidal
del
estado
estacionario.
[8]
Justificación
de
la
investigación.
El
proyecto
piloto
que
está
en
marcha
en
la
Universidad
Autónoma
de
Ciudad
Juárez
requiere
de
implementar
un
diseño
para
poder
sensar
la
presencia
de
un
automóvil
para
determinar
el
ingreso
a
cierto
estacionamiento.
Por
lo
tanto,
se
plantea
diseñar
un
sistema
detector
de
vehículos
para
el
ingreso
a
un
estacionamiento,
el
cual
nos
dé
una
respuesta
eléctrica
para
determinar
la
presencia
(o
ausencia)
de
vehículos.
El
sistema
será
realizado
con
los
conocimientos
adquiridos
en
el
transcurso
de
la
estancia
en
la
universidad
y
a
base
de
la
experiencia
de
datos
recabados
ya
expuestos
en
los
antecedentes,
e
investigaciones
preliminares
de
sistemas
ya
existentes.
Aplicando
la
reingeniería
para
poder
crear
un
sistema
de
bajo
costo,
dando
de
esta
forma
una
aportación
a
la
institución
educativa
a
la
que
se
pertenece,
para
la
fabricación
posterior
de
todos
los
sistemas
detectores
de
vehículos
para
el
acceso
a
cualquier
estacionamiento
de
dicha
institución.
De
esta
forma
se
evita
la
compra
de
sensores
complejos
y
equipos
de
costos
elevados
a
compañías
extranjeras,
evitando
de
igual
manera
la
dependencia
que
existe
de
las
empresas
suministradoras
de
los
sistemas
o
dispositivos
adquiridos
para
poder
brindar
un
servicio
de
mantenimiento
o
rediseño.
Por
lo
tanto
se
verá
reflejado
en
el
proyecto
a
presentar
el
entusiasmo
de
querer
concluir
este
nivel
educativo
para
seguir
al
siguiente
nivel
y
de
forma
paralela
un
beneficio
para
toda
la
comunidad
universitaria
dando
este
tipo
de
servicios
y
comodidades
para
el
ingreso
a
cualquier
estacionamiento
de
la
institución.
Tratando
de
contagiar
el
ámbito
por
la
reingeniería
en
la
utilización
de
sistemas
por
elaboración
propia,
aplicando
los
conocimientos
que
se
tienen
e
inclinándose
por
el
espíritu
de
la
investigación.
Objetivo
general.
Diseñar
y
construir
un
sistema
digital
para
la
detección
vehicular.
Metodología.
1.
Investigar
empresas
que
ofrecen
sistemas
similares.
1.1
Encontrar
a
un
distribuidor
de
sistemas
similares
en
México.
1.1.1
Contactar
y
pedir
estimación
de
costos
de
los
sistemas
que
manejan.
‐Tener
una
computadora
con
acceso
a
internet.
‐Contar
con
servicio
telefónico
nacional
e
internacional.
‐Exponer
la
petición
de
cotización
de
un
sistema
similar.
‐Mandar
un
e‐mail,
o
contactar
vía
telefónica
a
un
representante
de
la
empresa.
1.1.2
Investigar
cuales
son
las
principales
aplicaciones
de
los
sistemas
que
ofertan.
‐Leer
los
folletos
en
la
red
de
equipos
que
manejan.
‐Definir
las
aplicaciones
que
sustituyen
el
uso
del
lazo
inductivo
físico.
1.2
Investigar
al
menos
dos
de
las
empresas
que
distribuyen
al
proveedor
en
México.
1.2.1
Capturar
información
de
las
tecnologías
y
dispositivos
utilizados.
‐Obtener
nombres
de
fabricantes.
‐Localizar
manuales
de
los
dispositivos.
‐Leer
a
profundidad
cómo
y
con
qué
tecnología
son
construidos
los
sistemas.
1.3
Formular
una
reseña
histórica
de
los
fabricantes
de
los
sistemas
existentes.
1.3.1
Definir
las
nacionalidades
de
los
fabricantes.
1.3.2
Clasificar
fechas
de
inicio
en
la
rama.
‐Buscar
con
el
nombre
del
fabricante
su
información
general
en
Internet.
1.3.3
Investigar
principales
consumidores.
‐Obtener
información
general
de
países
que
aplican
ingeniería
de
transito.
2.
Definir
opciones
para
sensar
automóviles.
2.1
Investigar
al
menos
tres
formas
de
sensar
la
presencia
de
un
automóvil.
2.1.1
Definir
la
mejor
de
las
opciones
a
utilizar.
‐Hacer
comparaciones
de
costos.
‐Comparación
de
servicios
brindados
por
el
dispositivo.
3.
Realizar
una
investigación
de
la
construcción
de
lazos
inductivos.
3.1
Clasificar
en
tres
diferentes
categorías
a
los
lazos
inductivos
que
existen.
3.1.1
Clasificar
los
tipos
de
lazos
inductivos
por
su
forma
física.
‐Investigar
en
secciones
de
ingeniería
de
transito.
‐Documentar
las
formas
existentes
de
lazos
inductivos.
‐Identificar
el
tipo
de
forma
de
lazo
para
el
tipo
de
aplicación.
3.1.2
Clasificar
los
tipos
de
lazos
inductivos
por
sus
dimensiones.
‐Acudir
a
la
biblioteca.
‐Recabar
información
de
tablas
con
dimensiones
fijas.
‐Interpretar
las
formulas
para
la
fabricación
de
lazos
inductivos.
3.1.3
Clasificar
los
tipos
de
lazos
inductivos
por
sus
características
eléctricas.
‐Investigar
en
manuales
de
servicio
de
lazos
inductivos
realizados.
‐Interpretar
de
que
manera
afectan
las
dimensiones
en
las
características
eléctricas.
3.2
Fabricar
un
lazo
inductivo.
3.2.1
Determinar
el
calibre
a
utilizar
para
la
bobina.
‐Aplicar
las
investigaciones
obtenidas.
3.2.2
Comprobar
características
eléctricas,
con
respecto
a
las
dimensiones.
‐Un
medidor
LCR.
4.
Recabar
información
para
adherir
el
lazo
inductivo
en
la
superficie
a
colocarse.
4.1
Investigar
al
menos
dos
maneras
para
ranurar
la
superficie
donde
se
colocara.
4.1.1
Definir
el
equipo
a
utilizar.
‐Conseguir
regatas
hechas
con
un
disco
abrasivo
a
motor.
4.1.2
Definir
el
tipo
de
material
para
el
relleno
y
recubrimiento.
‐Conseguir
resina
epóxica
para
el
aislamiento
del
lazo
inductivo.
4.2
Sondear
para
saber
si
existen
tres
de
las
interferencias
comunes
en
el
campo
a
instalar.
4.2.1
Circuito
abierto
o
corto
circuito
en
el
bucle.
4.2.2
Exceso
o
falta
de
vueltas
o
espiras
en
el
bucle.
‐Interpretar
mediciones
realizadas
con
el
LCR.
4.2.3
Presencia
de
importantes
masas
metálicas.
‐Medir
distancia
estándar
del
vehículo
con
respecto
a
la
superficie.
‐Evitar
instalar
el
lazo
cerca
de
masas
metálicas.
5.
Investigar
acerca
de
la
fabricación
de
osciladores
inductivos.
5.1
Definir
al
menos
dos
modelos
de
osciladores
inductivos.
5.1.1
Investigación
bibliográfica
‐Acudir
a
bibliotecas
para
encontrar
información
requerida.
‐Investigar
en
foros
de
ámbito
electrónico
en
internet.
‐Contar
con
computadora
que
tenga
softwares
de
diseño
electrónico.
‐Simular
circuitos
obtenidos.
5.2
Construir
un
oscilador
inductivo.
5.2.1
Juntar
la
información
recopilada.
‐Adquirir
los
componentes
electrónicos
requeridos.
‐Contar
con
herramienta
para
soldar,
y
completar
el
circuito
oscilador.
6.
Determinar
microcontrolador
a
utilizar.
6.1
Definir
cuál
de
los
dos
tipos
de
conjuntos
de
instrucciones
se
utilizaran.
6.1.1
Investigar
teoría
de
RISC
y
CISC.
‐Tener
membresía
para
tener
acceso
a
papers
y
revistas
de
interés.
‐
Definir
que
arquitectura
es
más
usual
por
fabricantes.
‐Valorizar
pros
y
contras
de
los
diferentes
competidores
en
el
mercado.
6.2
Adquirir
dos
opciones
de
microcontroladores
a
utilizar.
6.2.1
Elegir
el
fabricante
de
microcontroladores
a
utilizar.
‐Investigar
costos
y
diferencias
entre
los
dispositivos.
‐Localizar
a
proveedores
de
dispositivos
elegidos.
6.2.2
Definir
los
dispositivos
internos
del
microcontrolador
que
se
utilizaran.
‐Convertidores
digitales/análogos.
‐Timer
a
utilizar.
‐Líneas
de
entrada
y
salida.
‐Velocidad
de
transmisión.
‐Interrupciones.
6.2.3
Establecer
la
arquitectura
del
microcontrolador.
‐Bancos
de
memoria
‐Periféricos.
‐Registros.
7.
Definir
herramientas
de
desarrollo.
7.1
Adquirir
una
herramienta
de
desarrollo
de
software.
7.1.1
Instalar
el
MPLAB.
‐Conseguir
el
setup
para
instalarlo.
‐Contar
con
requerimientos
del
software,
en
la
maquina
que
se
instalara.
7.2
Adquirir
una
herramienta
de
desarrollo
de
simulación.
7.2.1
Instalar
el
ISIS
de
Proteus.
‐Investigar
tutorial
para
instalación.
‐Conseguir
keygen.
7.3
Adquirir
una
herramienta
de
desarrollo
de
PCBs.
7.3.1
Instalar
Ares
de
Proteus.
‐Conseguir
el
setup
con
Proteus
completo.
8.
Diseñar
un
decodificador
de
datos
para
determinar
lo
generado
por
el
sensor
inductivo.
8.1
Crear
un
proyecto
en
ambiente
MPLAB.
8.1.1
Conseguir
librerías
necesarias.
‐Tener
acceso
a
la
red
de
Microchip
en
Internet.
8.2
Tener
un
machote
de
configuración
del
microcontrolador
elegido.
8.2.1
Contar
con
ejemplos
de
programas
ya
realizados.
‐Tomar
el
segmento
de
código
que
sea
de
utilización.
8.2.2
Recabar
información
en
foros
del
tema.
‐Externar
dudas
a
compañeros
con
más
experiencia.
‐Iniciar
tema
en
foro
con
dudas
específicas. 8.3
Definir
número
de
dispositivos
de
visualización
y
manipulación
a
los
que
el
usuario
accederá.
8.3.1
Clasificar
dispositivos
de
entrada.
‐Definir
los
interruptores
o
pulsadores
con
los
que
el
usuario
interactuara.
8.3.2
Clasificar
dispositivos
de
salida.
‐Dispositivos
de
visualización
para
el
comportamiento
del
sistema.
‐Dispositivos
finales
a
controlar
8.4
Crear
el
número
de
subrutinas
propias
a
utilizar.
8.4.1
Adquirir
set
de
instrucciones.
‐Recabar
información
del
conjunto
de
instrucciones
a
utilizar.
‐Acceder
a
foro
de
microchip.
8.4.2
Diseñar
diagramas
de
flujo.
‐Según
lo
requerido,
preestablecer
el
flujo
de
los
datos
adquiridos.
‐Utilizar
la
herramienta
RAPTOR
para
la
fabricación
de
diagramas
de
flujo.
8.4.3
Compilar
y
percatarse
del
perfecto
funcionamiento
de
la
subrutina.
‐Hacer
corridas
en
papel.
‐Fijar
nombre
característico
dependiendo
de
la
función
que
realiza.
8.5
Diseñar
la
parte
principal
del
programa.
8.5.1
Hacer
las
llamadas
a
subrutinas
para
complementar
todo
el
proyecto.
‐Revisar
que
el
proyecto
en
general
tenga
un
flujo,
para
evitar
ciclos
infinitos. 9.
Diseñar
el
prototipo
en
ambiente
de
simulación.
9.1
Generar
un
circuito
equivalente
en
ISIS
de
Proteus.
9.1.1
Percatarse
de
tener
todas
las
librerías
requeridas.
‐Buscar
los
componentes
necesarios.
‐Cargar
el
programa
en
hexadecimal,
al
microcontrolador.
9.1.2
Realizar
simulación
virtual
del
sistema
completo.
‐Correr
el
sistema.
‐Verificar
tolerancia
a
fallas.
‐Verificar
cumpla
con
todos
requerimientos.
10.
Diseñar
el
prototipo
en
tablilla
de
prueba.
10.1
Adquirir
en
cantidades
dobles,
todo
el
material
requerido.
10.1.1
Contactar
a
proveedores
que
manejen
los
componentes
requeridos.
‐Realizar
lista
de
material
requerido.
‐Contar
con
el
capital
para
adquirir
los
componentes
10.2
Armar
un
circuito
correspondiente
al
de
la
simulación.
10.2.1
Rutear
cables
en
protoboard.
‐Contar
con
pinzas
de
corte
y
de
punta.
10.2.2
Acomodar
los
dispositivos
en
el
espacio
adecuado.
‐Establecer
el
espacio
para
cada
componente.
10.3
Verificar
funcionamiento.
10.3.1
Verificar
tolerancia
a
fallas.
‐Introducir
datos
predeterminados
con
falla.
10.3.2
Verificar
cumpla
con
los
requerimientos.
‐Hacer
las
pruebas
pertinentes.
11.
Implementar
comunicación
con
PC.
11.1
Investigar
al
menos
dos
protocolos
para
la
comunicación
del
MCU
con
la
PC.
11.1.1
Recabar
información
bibliográfica.
‐Acudir
a
la
biblioteca.
‐Investigar
en
aparados
de
Internet.
12.
Determinar
los
dispositivos
de
salida
a
controlar.
12.1
Crear
una
interfaz
de
potencia
para
cada
dispositivo
de
salida
final
a
controlar.
12.1.1
Investigar
teoría
de
periféricos
de
salida.
‐Retroalimentación
de
temas
vistos
en
materias
anteriores.
‐Recabar
información
de
opto
acopladores
y
transistores
de
potencia.
13.
Construir
interfaz
usuario
adecuada
para
la
utilización
del
dispositivo.
13.1
Diseñar
un
circuito
impreso
referente
al
circuito
de
la
simulación.
13.1.1
Transferir
el
circuito
de
ISIS
a
Ares
de
Proteus.
‐Acomodar
las
pistas
según
lo
requerido.
13.2
Construir
una
caja
de
proyecto
adecuada.
13.2.1
Insertar
los
componentes
adquiridos
en
la
tablilla.
‐Contar
con
instrumentos
para
soldar
componentes.
13.2.2
Perforación
y
adaptación
de
componentes
en
la
caja.
‐Contar
con
herramientas
de
corte
como
taladro,
segueta,
cortadora.
14.
Implementar
un
manual
de
usuario
y
un
manual
técnico
de
servicio.
14.1
Realizar
un
manual
específico
para
la
utilización
del
sistema.
14.1.1
Redactar
un
manual
con
términos
claros
para
cualquier
usuario.
‐Tener
un
redactor
de
textos.
‐Convertidor
a
pdf,
para
cubrir
la
autenticidad
del
manual.
14.2
Realizar
un
manual
para
dar
mantenimiento.
14.2.1
Redactar
un
manual
en
el
que
tome
en
cuenta
las
posibles
fallas.
‐Redactar
posibles
fallas
y
mantenimiento
preventivo
al
lazo
inductivo.
15.
Exponer
trabajo
final.
15.1
Tener
terminado
el
documento
para
presentar
a
calificadores
antes
del
14
de
mayo.
15.1.1
Imprimir
documento
finalizado
para
su
entrega.
‐Acudir
a
lugar
de
impresión
y
empastado.
Calendarización
Actividad
1.1.1
Actividad
1.1.2
Actividad
1.2.1
Actividad
1.3.1
Actividad
1.3.2
Actividad
1.3.3
Actividad
2.1.1
Actividad
3.1.1
Actividad
3.1.2
Actividad
3.1.3
Actividad
3.2.1
Actividad
3.2.2
Actividad
4.1.1
Actividad
4.1.2
Actividad
4.2.1
Actividad
4.2.2
Actividad
4.2.3
Actividad
5.1.1
Actividad
5.2.1
Actividad
6.1.1
Actividad
6.2.1
Actividad
6.2.2
Actividad
6.2.3
Actividad
7.1.1
Actividad
7.2.1
Actividad
7.3.1
Actividad
8.1.1
Actividad
8.2.1
Actividad
8.2.2
Actividad
8.3.1
Actividad
8.3.2
Actividad
8.4.1
Actividad
8.4.2
Enero
Semanas
1
1
1
1
1
1
2
3
3
3
4
4
Febrero
Semanas
1
1
1
1
1
2
2
3
3
3
3
Marzo
Semanas
4
4
4
1
1
1
2
2
2
3
Abril
Semanas
Mayo
Semanas
Junio
Semanas
Actividad
8.4.3
Actividad
8.5.1
Actividad
9.1.1
Actividad
9.1.2
Actividad
10.1.1
Actividad
10.2.1
Actividad
10.2.2
Actividad
10.3.1
Actividad
10.3.2
Actividad
11.1.1
Actividad
12.1.1
Actividad
13.1.1
Actividad
13.2.1
Actividad
13.2.2
Actividad
14.1.1
Actividad
14.2.1
Actividad
15.1.1
Enero
Semanas
Febrero
Semanas
Marzo
Semanas
3
3
Abril
Semanas
4
4
1
1
1
2
2
3
3
4
4
4
Mayo
Semanas
1
2
3
Junio
Semanas
Referencias.
[1],
http://www.fornvalls.com/pdfs/detector_capsys.pdf,
Oct.
2009.
[2],http://www.tyssatransito.com/Archivos_pdf/T4_DETECTORES_DE_TRANSITOS_2007_PDF/,
Oct.
2009.
[3],
http://www.tyssatransito.com/pag_421.htm,
Oct.
2009.
[4],
http://www.tyssatransito.com/pag_422.htm,
Oct.
2009.
[5],
Jerry
D.
Wilson,
Física
con
aplicaciones,
McGRAW‐HILL,
1993.
[6],
Ramón
Pallas
Areny,
Sensores
y
acondicionadores
de
señal,
McGRAW‐HILL,
1993.
[7],
http://es.wikipedia.org/wiki/Corrientes_de_Foucault,
Oct.
2009.
[8],
Benjamin
C.
Kuo,
Sistemas
de
control
digital,
CECSA,
2003.
SISTEMA DIGITAL DETECTOR DE VEHÍCULOS PARA EL INGRESO A UN ESTACIONAMIENTO
por Oslo Zambrano Sánchez
Presentado al comité revisor del Instituto de Ingeniería y Tecnología de la Universidad Autónoma de Ciudad Juárez para obtener el título de
INGENIERO EN SISTEMAS DIGITALES Y COMUNICACIONES
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ Mayo 2010
1
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE el DAD JUÁREZ
Instituto de Ingeniería y Tecnología
EVALUACIÓN DE EXAMEN
Fecha: 27 de Mayo del 2010 Horario: 17:00 - 19:00 HRS.
PROFESIONAL INTRACURRICULAR NIVEL: LICENCIATURA
TEMA:
"Sistema digital detector de vehículos para el ingreso a un estacionamiento"
La evaluación del examen profesional intracurricular consta de 4 partes:
(Desarrollado en 1 hora)
1°._ 2°._ 3°.4°._
Exposición por parte de los alumnos (máximo 20 minutos).
Réplica por parte del jurado.
Comentarios y/o recomendaciones.
Entrega de resultados.
Nombre del alumno: 0510 Zambrano Sánchez
Calificación Maestro de la materia (30%) Calificación Director de Trabajo (40%) Calificación del Jurado (30%) TOTAL
Se recomienda que el' documento se deposite para consulta en la BIBLIOTECA
SiD NolD
Director de Trabajo
Jurado
Dr. Ernesto Sifuentes
FIRMADO EN ORIGINAL
SISTEMA DIGITAL DETECTOR DE VEHÍCULOS PARA EL INGRESO A UN ESTACIONAMIENTO
Los miembros del comité revisor que aprobaron el proyecto de titulación de: Oslo Zambrano Sánchez
José Jr. Mireles García Titular de la materia
Abdi Delgado Salido Asesor técnico
David García Chaparro Coordinador de la carrera
Ernesto Sifuentes de la Hoya Sinodal
Fco. Javier Enríquez Aguilera Sinodal
2
AGRADECIMIENTOS
Dedico la presente en testimonio de gratitud por el apoyo, aliento y estimuló mismos que posibilitaron la conquista de esta meta: Mi formación profesional.
Porque gracias al apoyo y consejo he llegado a realizar la más grande de mis metas. La cuál constituye la herencia más valiosa que pudiera recibir. A quiénes me han heredado el tesoro más valioso que puede dársele a un hijo, hermano, sobrino, nieto, primo, amigo, tío: AMOR. A quiénes sin escatimar esfuerzo alguno, han sacrificado gran parte de su vida para formarme y educarme. A quiénes la ilusión de su vida ha sido convertirme en persona de provecho. A quiénes nunca podré pagar todos sus desvelos ni aún con las riquezas más grandes del mundo. Por esto y más… Gracias.
A mi Madre, porque eres de esa clase de personas que todo lo comprende y dan lo mejor de sí mismos sin esperar nada a cambio… porque sabes escuchar y brindar ayuda cuando es necesario… porque te has ganado el cariño, admiración y respeto de todo el que te conoce.
Al término de esta etapa de mi vida, quiero expresar un profundo agradecimiento a mis amigos, quiénes con su ayuda, apoyo y comprensión me alentaron a lograr esta hermosa realidad.
Como muestra de mi cariño y agradecimiento, por todo el conocimiento transmitido y el apoyo brindado y porque hoy veo llegar a su fin una de las metas de mi vida, agradezco la orientación que siempre me han otorgado cada uno de mis profesores en el transcurso de mi estancia académica. 3
Sabiendo que no existirá una forma de agradecer una vida de sacrificio y esfuerzo, quiero que sientan que el objetivo logrado también es de ustedes y que la fuerza que me ayudó a conseguirlo fue su apoyo.
Gracias: por la oportunidad de existir, por su sacrificio en algún tiempo incomprendido, por su ejemplo de superación incansable, por su comprensión y confianza, por su amor y amistad incondicional por que sin su apoyo no hubiera sido posible la culminación de mi carrera profesional. Por lo que ha sido y será… Gracias.
4
DECLARACIÓN DE ORIGINALIDAD
Por la presente afirmo con carácter de DECLARACIÓN JURADA que soy el único autor de la tesis presentada, la cuál es por ende original en su formulación conceptual, procedimientos de investigación, desarrollo del aparato demostrativo, análisis de los resultados y conclusiones.
Declaro que la investigación es original, ya que sus contenidos son producto de mi directa contribución intelectual. Todos los datos y las referencias a materiales ya publicados están debidamente identificados con su respectivo crédito e incluidos en las notas referenciales. Por lo tanto, me hago responsable de cualquier litigio o reclamación relacionada con derechos de propiedad intelectual, exonerando de responsabilidad al comité revisor y a la institución de pertenencia.
Este trabajo no ha sido previamente presentado en ninguna otra institución educativa, organización o medio público y/o privado, ni lo será sin hacer expresa mención a su condición de tesina presentada por mí y bajo mi autoría en la fecha a esta institución.
Oslo Zambrano Sánchez
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TABLA DE CONTENIDO
CAPÍTULO 1 ....................................................................................................................... 16 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................ 16 CAPÍTULO 2 ...................................................................................................................... 19 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.......................................................................... 19 2.1 Planteamiento de la problemática ........................................................................... 19 2.2 Objetivo general ...................................................................................................... 19 2.3 Definición del problema técnico ............................................................................. 20 2.3.1 Objetivos particulares ........................................................................................... 20 2.4 Justificación ............................................................................................................. 20 2.5 Delimitaciones ......................................................................................................... 21 CAPÍTULO 3 ...................................................................................................................... 22 MARCO TEÓRICO .......................................................................................................... 22 3.1 Fundamentos electromagnéticos ............................................................................. 22 3.1.1 Campo magnético ............................................................................................. 22 3.1.2 Campo eléctrico ................................................................................................ 23 3.1.3 Campo electromagnético .................................................................................. 24 3.1.4 Corrientes de Foucault ...................................................................................... 25 3.1.5 Inductor ............................................................................................................. 26 3.1.6 Inductancia........................................................................................................ 30 3.1.7 Sensores inductivos .......................................................................................... 31 3.2 Fundamentos electrónicos ....................................................................................... 32 3.2.1 Ondas ................................................................................................................ 32 3.2.1.1 Descripción matemática de la onda sinusoidal .......................................... 33 3.2.2 Oscilador ........................................................................................................... 34 3.2.3 Oscilador LC..................................................................................................... 34 3.2.4 Oscilador Hartley.............................................................................................. 35 3.2.5 Oscilador Colpitts ............................................................................................. 36 3.2.6 Oscilador de cristal ........................................................................................... 37 3.2.7 Diodo rectificador ............................................................................................. 37 3.2.8 MCU ................................................................................................................. 39 6
3.2.8.1 Conexiones básicas del MCU .................................................................... 41 3.2.8.1.1 Alimentación del MCU ....................................................................... 41 3.2.8.1.2 Oscilador ............................................................................................. 41 3.2.8.1.3 Reset .................................................................................................... 41 3.2.8.2 Conexión de periféricos al MCU ............................................................... 41 3.2.8.2.1 Puertos de entrada/salida ..................................................................... 42 3.2.8.2.2 Conexión de LCD................................................................................ 42 3.2.8.2.3 Conexión de DIP switch ...................................................................... 43 3.2.8.3 Grabación del MCU ................................................................................... 43 3.2.8.3.1 Material y equipo requerido para la grabación del MCU.................... 43 3.2.8.3.2 Proceso de grabación ........................................................................... 44 3.2.8.3.3 Reset por software ............................................................................... 44 3.3 Fundamentos de software ........................................................................................ 44 3.3.1 Entorno MPLAB............................................................................................... 44 3.3.1.1 Directivas ................................................................................................... 45 3.3.2 Software de grabación IC-Prog ........................................................................ 45 CAPÍTULO 4 ...................................................................................................................... 46 MATERIALES Y MÉTODOS ......................................................................................... 46 4.1 Equipo de prueba, medición e implementación ...................................................... 46 4.1.1 Herramientas de desarrollo de software, simulación, diseño e implementación ................................................................................................................................... 46 4.1.2 Equipo de medición .......................................................................................... 48 4.1.3 Equipo de suministro y simulación .................................................................. 49 4.2 Diseño y construcción de bucle inductivo............................................................... 50 4.2.1 Características eléctricas del bucle inductivo ................................................... 50 4.2.2 Material y equipo utilizado para la construcción del bucle inductivo de prueba ................................................................................................................................... 52 4.2.3 Diseño del bucle inductivo de prueba............................................................... 52 4.2.4 Construcción del bucle inductivo de prueba..................................................... 53 4.3 Diseño y construcción de oscilador inductivo......................................................... 53 4.3.1 Etapa, circuito tanque LC ................................................................................. 54 4.3.2 Etapa, retroalimentación regenerativa y amplificación .................................... 55 4.3.3 Diseño y construcción de oscilador Colpitts basado en BJT ............................ 56 4.3.3.1 Material y equipo complementario utilizado para la construcción de oscilador Colpitts basado en BJT........................................................................... 56 4.3.3.2 Diseño de oscilador Colpitts basado en BJT.............................................. 57 4.3.3.3 Construcción de oscilador Colpitts basado en BJT.................................... 58 7
4.3.4 Diseño y construcción de oscilador Colpitts basado en OPAM ....................... 59 4.3.4.1 Material y equipo complementario utilizado para la construcción de oscilador Colpitts basado en OPAM ...................................................................... 59 4.3.4.2 Diseño de oscilador Colpitts basado en OPAM ......................................... 59 4.3.4.3 Construcción de oscilador Colpitts basado en OPAM............................... 60 4.3.5 Etapa, conversión de onda ................................................................................ 60 4.3.5.1 Material y equipo utilizado para la construcción del convertidor de onda 60 4.3.5.2 Diseño de convertidor de onda .................................................................. 61 4.3.5.3 Construcción de convertidor de onda ........................................................ 62 4.3.6 Etapa, rectificación de la parte negativa de la señal ......................................... 62 4.3.6.1 Diseño e implementación de la etapa rectificadora ................................... 62 4.4 Diseño y construcción de circuito detector ............................................................. 63 4.4.1 Desarrollo de Hardware .................................................................................... 63 4.4.1.1 Material y equipo utilizado para la construcción del circuito detector ...... 63 4.4.1.2 Conexiones del MCU y sus periféricos ..................................................... 64 4.4.1.3 Implementación del circuito detector, en la tableta para prototipos .......... 66 4.4.2 Etapa de protección y desacoplo ...................................................................... 67 4.4.2.1 Regulación de la alimentación ................................................................... 67 4.4.2.2 Implementación de resonador .................................................................... 68 4.4.2.3 Bus triestado............................................................................................... 68 4.4.3 Desarrollo de Software ..................................................................................... 69 4.4.3.1 Creación del proyecto ................................................................................ 69 4.4.3.1.1 Descripción del archivo de encabezado .............................................. 70 4.4.3.2 Creación del programa contador de frecuencia ......................................... 71 4.4.3.3 Desarrollo del flujo de la interpretación de la frecuencia .......................... 74 4. 5 Diseño y construcción de PCB ............................................................................... 75 4.5.1 Material y equipo utilizado ............................................................................... 75 4.5.2 Diseño de encapsulados .................................................................................... 75 4.5.3 Generación de netlist y ruteo ............................................................................ 76 4.5.4 Impresión e insolación ...................................................................................... 78 4.5.5 Revelado ........................................................................................................... 78 4.5.6 Atacado y perforación ...................................................................................... 79 4.5.7 Ensamble y soldado de componentes ............................................................... 80 4.5.8. Construcción de gabinete................................................................................. 80 CAPÍTULO 5 ...................................................................................................................... 81 RESULTADOS................................................................................................................. 81 5.1 Pruebas con bucle inductivo .................................................................................... 81 8
5.2 Pruebas con oscilador Colpitts basado en BJT........................................................ 82 5.2.1 Implementación virtual del oscilador Colpitts basado en BJT ......................... 82 5.2.2 Implementación en tablilla perforada del oscilador Colpitts basado en BJT ... 83 5.3 Pruebas con oscilador Colpitts basado en OPAM ................................................... 85 5.3.1 Prueba de laboratorio con oscilador ................................................................. 85 5.3.2 Prueba a intemperie con oscilador .................................................................... 86 5.3.2.1 Prueba con bucle inductivo en pavimento ................................................. 90 5.4 Elección del oscilador inductivo a utilizar .............................................................. 92 5.5 Pruebas de Oscilador con señal cuadrada ............................................................... 92 5.6 Pruebas de periféricos y dispositivos de Hardware ................................................. 94 5.7 Prueba al circuito detector de bucle inductivo e interpretador de frecuencia ......... 95 5.7.1. Implementación de circuito detector en gabinete ............................................ 95 5.7.2 Interpretación de las posibles configuraciones con el DIP Switch ................... 97 5.7.3 Interpretación de las posibles respuestas en la barra de LEDs ......................... 98 5.7.4 Función de interruptor OK/Config ................................................................... 99 CAPÍTULO 6 .................................................................................................................... 100 CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS DE FUTURO .................................................. 100 6.1 Conclusiones ......................................................................................................... 100 6.2 Perspectivas de futuro ........................................................................................... 101 REFERENCIAS.............................................................................................................. 102 APÉNDICE A..................................................................................................................... 104 PROVEDORES DE SISTEMAS EXISTENTES ........................................................... 104 APÉNDICE B ..................................................................................................................... 106 HOJAS DE DATOS ........................................................................................................ 106 APÉNDICE C ..................................................................................................................... 128 CODIGO FUENTE ......................................................................................................... 128 APÉNDICE D..................................................................................................................... 156 DISEÑO DE PCB ........................................................................................................... 156
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LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1. Campo magnético producido por una corriente eléctrica. ................................. 22 Figura 3.2. Líneas de campo eléctrico. ................................................................................. 24 Figura 3.3. Desarrollo de un campo electromagnético. ........................................................ 25 Figura 3.4. Corrientes de Foucault inducidas. ...................................................................... 26 Figura 3.5. Diferentes tipos de inductores. ........................................................................... 27 Figura 3.6. Diagrama cartesiano de una bobina en CA. ....................................................... 28 Figura 3.7. Circuito RL, inductor cargándose. ..................................................................... 29 Figura 3.8. Circuito RL, cargando capacidades parásitas..................................................... 29 Figura 3.9. Comportamiento del inductor. ........................................................................... 30 Figura 3.10. Campo magnético generado por una corriente que circula por una bobina. .... 32 Figura 3.11 Onda sinusoidal. ................................................................................................ 33 Figura 3.12. Curvas de tensión en un oscilador LC.............................................................. 35 Figura 3.13. Oscilador Hartley. ............................................................................................ 36 Figura 3.14. Oscilador Colpitts............................................................................................. 36 Figura 3.15. Cristal de cuarzo. .............................................................................................. 37 Figura 3.16. Curva característica del diodo rectificador. ..................................................... 38 Figura 3.17. Rectificador de media onda. ............................................................................. 38 Figura 3.18. Proceso de rectificación de media onda. .......................................................... 38 Figura 3.19. Diagrama de pines del PIC16F84A.................................................................. 39 Figura 3.20. Diagrama de bloques del PIC16F84A.............................................................. 40 Figura 3.21. Grabación del MCU. ........................................................................................ 43 Figura 4.1. Equipo de cómputo utilizado. ............................................................................ 46 Figura 4.2. Programador utilizado. ....................................................................................... 47 Figura 4.3. Herramienta de diseño esquemático y simulación. ............................................ 47 Figura 4.4. Herramienta de diseño de PCB y visualización 3D. .......................................... 47 10
Figura 4.5. Herramienta de desarrollo de software. 48Figura 4.6. Pantalla típica del IC-Prog. .............................................................................................................................................. 48 Figura 4.7. Multímetro utilizado........................................................................................... 48 Figura 4.8. Medidor LCR utilizado. .................................................................................... 49 Figura 4.9. Osciloscopio utilizado. ....................................................................................... 49 Figura 4.10. Fuente de voltaje utilizada. .............................................................................. 49 Figura 4.11. Generador de funciones utilizado..................................................................... 50 Figura 4.12. Cable 14 CAE, utilizado para construir bucle inductivo de prueba. ................ 52 Figura 4.13. Dimensiones del bucle inductivo de prueba..................................................... 53 Figura 4.14. Construcción del bucle. .................................................................................... 53 Figura 4.15. Bucle inductivo de prueba terminado .............................................................. 53 Figura 4.16. Diagrama a bloques de Oscilador inductivo. ................................................... 54 Figura 4.17. Circuito tanque. ................................................................................................ 55 Figura 4.18. Oscilador Colpitts basado en BJT. ................................................................... 57 Figura 4.19. Oscilador basado en BJT. ................................................................................. 58 Figura 4.20. Filtro Choque. .................................................................................................. 58 Figura 4.21. Conectores del oscilador. ................................................................................. 58 Figura 4.22. Trimpot de ajuste de amplitud.......................................................................... 58 Figura 4.23. Oscilador Colpitts basado en OPAM. .............................................................. 59 Figura 4.24 Oscilador basado en OPAM. ............................................................................. 60 Figura 4.25 Prueba del Oscilador. ........................................................................................ 60 Figura 4.26. Oscilador con señal cuadrada. .......................................................................... 61 Figura 4.27. Oscilador con onda cuadrada. .......................................................................... 62 Figura 4.28. Diodo rectificando la señal al MCU................................................................. 63 Figura 4.29. Diagrama a bloques de circuito detector .......................................................... 64 Figura 4.30. Display LCD. ................................................................................................... 65 Figura 4.31. Diagrama esquemático. .................................................................................... 66 Figura 4.32. Circuito detector en tableta de prototipos. ....................................................... 67 Figura 4.33. Circuito regulador de alimentación. ................................................................. 68 Figura 4.34. Resonador cerámico de 4Mhz. ......................................................................... 68 11
Figura 4.35. Circuito detector de bucle inductivo e interpretador de frecuencia. ................ 69 Figura 4.36. Posicionamiento de componentes en la tablilla. .............................................. 76 Figura 4.37. Layout de tablilla.............................................................................................. 77 Figura 4.38. Proceso de insolación. ...................................................................................... 78 Figura 4.39. Revelado de tablilla fotosensible. .................................................................... 79 Figura 4.40. Perforación de orificios en tablilla. .................................................................. 79 Figura 5.1. Prueba en campo con bucle inductivo ................................................................ 82 Figura 5.2 Visualización de la frecuencia de salida virtual. ................................................. 83 Figura 5.3. Frecuencia de salida del oscilador basado en BJT. ............................................ 84 Figura 5.4. Prueba con Oscilador basado en BJT. ................................................................ 84 Figura 5.5. Consumo de corriente en las fuentes de suministro de voltaje. ......................... 85 Figura 5.6. Frecuencia de salida del oscilador basado en OPAM. ....................................... 86 Figura 5.7. Vehículo ante el bucle inductivo ........................................................................ 87 Figura 5.8. Equipo útil para la prueba. ................................................................................. 87 Figura 5.9. Barrera vehicular instalada ................................................................................. 90 Figura 5.10. Bucle inductivo en pavimento. ......................................................................... 90 Figura 5.11. Simulación de la comparación de ondas. ......................................................... 93 Figura 5.12. Visualización de las diferentes formas de onda del Oscilador. ........................ 93 Figura 5.13. Visualización de la rectificación. ..................................................................... 94 Figura 5.14. Monitoreo de alimentación. ............................................................................. 94 Figura 5.15. Prueba con LCD. .............................................................................................. 94 Figura 5.16. Circuito detector de bucle inductivo e interpretador de frecuencia. ................ 95 Figura 5.17. Resultado del atacado con cloruro férrico. ....................................................... 96 Figura 5.18. Ensamble y soldado de componentes. .............................................................. 96 Figura 5.19. Gabinete finalizado. ......................................................................................... 97
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LISTA DE TABLAS Tabla 4.1 Determinación del numero de espiras. ................................................................. 52 Tabla 5.1. Variación en la inductancia del bucle. ................................................................. 82 Tabla 5.2. Frecuencia del oscilador en la primera prueba a intemperie. .............................. 87 Tabla 5.3 Frecuencia del oscilador en la segunda prueba a intemperie. .............................. 88 Tabla 5.4 Frecuencia del oscilador en la tercer prueba a intemperie. .................................. 89 Tabla 5.5. Frecuencia de salida en intemperie con bucle en pavimento. ............................. 91
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LISTA DE ACRONIMOS
ALU
Unidad aritmético lógica
AMR
Magnetoresistencia anisótropa
BJT
Transistor de unión bipolar, del inglés: Bipolar junction transistor
CA
Corriente alterna
CAE
Calibre de alambre estadounidense
CC
Corriente continua
CD
Corriente directa
DIP
Encapsulado de dos líneas, del inglés: Dual in line package
EEPROM
Memoria programable borrable de solo lectura, del inglés: Electrically erasable programmable read only memory
FEM
Fuerza electromotriz
IDE
Entorno de desarrollo integrado, del inglés: Integrated Development Environment
IIT
Instituto de Ingeniería y Tecnología
LCD
Pantalla de cristal líquido, del inglés: Liquid crystal display
LCR
Instrumento de medición (inductancia (L), capacitancia (C) y resistencia (R))
LED
Diodo emisor de luz
MCU
Unidad Microcontrolador, del inglés: Microcontroller Unit
MIPS
Millón de instrucciones por segundo
MR
Magnetoresistencia
MUX
Multiplexor
OPAM
Amplificador operacional
PCB
Circuito impreso, del inglés: Printed circuit board 14
PIC
Controlador de interfaz periférico, del inglés: Peripheral Interface Controller
PVC
Policloruro de vinilo
RAM
Memoria de acceso aleatorio, del inglés: Random access memory
RF
Radio Frecuencia
RISC
Computadora con Conjunto de Instrucciones Reducidas, del inglés: Reduced instruction set computing
ROM
Memoria de solo lectura, del inglés: Read only memory
SFR
Registro de funciones especiales, del inglés: Special function register
UACJ
Universidad Autónoma de Ciudad Juárez
VCC
Voltaje de corriente continua
VCD
Voltaje de corriente directa
VCO
Oscilador controlado por voltaje, del inglés: Voltage controlled oscillator
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CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN
El mundo del diseño en la ingeniería está evolucionando a un ritmo vertiginoso. En menos de una generación, se ha pasado de buscar soluciones aproximadas mediante groseras simplificaciones, a intentar encontrar la mejor de todas las posibles en problemas de naturaleza extraordinariamente compleja. Múltiples, y de distinta índole, son los factores que han contribuido a éste desarrollo. Cítese por ejemplo el esfuerzo económico de empresas e instituciones en investigación; el aumento de la comunicación entre la dispersa comunidad científica; tal vez una inherente capacidad del hombre para intentar buscar el progreso... Pero entre todas las razones económicas, antropológicas, sociológicas o filosóficas que se deseen encontrar, y que bien seguro podrían ser motivo de estudio, los hechos reales que fundamentan el nivel conseguido: por un lado el aprendizaje del desarrollo de los sistemas digitales y sus periféricos y por otro lado el desarrollo práctico de aspectos de electrónica análoga y digital.
La presente tesis que tiene como objeto mostrar el proceso de diseño, construcción e implementación de un sensor inteligente autoajustable para determinar presencia y/o ausencia de vehículos.
Siendo esta la base para poder solucionar la problemática expuesta en el próximo capítulo; y dar pie al inicio de la realización de sistemas por elaboración propia para la solución de problemas interinstitucionales y así eliminar la dependencia con proveedores. Planteando en esta tesis el diseño y construcción de un sistema digital para la detección
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vehicular, siendo esta detección la seguridad de que en realidad se encuentra el vehículo ante el estacionamiento del inmueble.
El sistema se conforma por: un bucle inductivo, que es el elemento sensible de la detección, un circuito tanque LC, que es el que proporciona la frecuencia de oscilación del sistema conformado por la bobina del bucle inductivo y dos capacitores en paralelo, la etapa de amplificación y retroalimentación regenerativa; conformada por un arreglo de resistencias y un OPAM, una etapa de conversión de onda rectificada y un circuito detector en base a un MCU junto con sus diferentes periféricos.
A partir de presentarse cambios electromagnéticos significativos en la inductancia del bucle inductivo a consecuencia de que un vehículo está sobre el bucle inductivo, se presentan cambios consecutivos en las diferentes etapas del sistema, hasta que dichos cambios son reflejados en el circuito detector, dándonos éste una respuesta eléctrica para determinar la presencia (o ausencia) de vehículos, para hacer funcionar una pluma que permite el ingreso de cada vehículo a un estacionamiento.
Se realizó el proyecto a partir de pruebas en laboratorio, hasta la implementación a intemperie. La construcción del detector de vehículo se basa en el principio básico de funcionamiento de un oscilador de frecuencia variable que cambia de frecuencia en presencia de un objeto ferromagnético (vehículo). Se construyeron dos diferentes tipos de bucle inductivo (haciendo referencia dimensional), se realizaron múltiples pruebas con éstos
y posteriormente uno de estos se incrusto en el pavimento. Se diseñaron dos
diferentes tipos de osciladores inductivos, determinando en el capítulo de resultados el más idóneo para la aplicación.
Se diseñó el circuito detector de bucle inductivo e interpretador de frecuencia en tableta de prototipos. Posteriormente se diseñó el PCB y demás elementos de hardware, apoyado de diversas herramientas de desarrollo electrónico. 17
Siendo el algoritmo de interpretación de la frecuencia en el MCU quien determine cuando un cambio es significativo y cuando se considera interferencia, mala detección, o cualesquiera de las seis posibles respuestas arrojadas por el sistema en la barra de LEDs. Sirviendo éstas de interpretación para el personal dedicado a maniobrar el sistema, para así poder ajustar la configuración adecuada en el DIP switch según el tipo de detección requerida.
Con el interruptor “OK/Config”, el técnico tiene la opción de restablecer los parámetros iniciales a partir de los parámetros actuales, y así poder considerar masas ferromagnéticas no existentes inicialmente al arranque de la inicialización del sistema. Además de tener un interruptor de reset general de software.
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CAPITULO 2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
2.1 Planteamiento de la problemática En vista de que en la UACJ han venido abriendo más carreras con diferentes ramas de estudio, se ha generado un aumento demográfico estudiantil considerable. Específicamente en el IIT, se ha visto un problema para tener acceso a estacionamientos. Problema que tiende a agravarse debido a la misma tasa de incremento estudiantil, por ende más vehículos desean ingresar a estacionamientos, los cuales tienen un límite de espacio. Actualmente se lleva a cabo un proyecto piloto en la institución, el cual consiste en controlar el acceso de vehículos al estacionamiento de docentes, dicho proyecto cuenta con un dispositivo detector de vehículos que fue suministrado por un proveedor extranjero. Es posible que para futuros mantenimientos y/o rediseños siempre se estará siendo dependiente del soporte técnico del suministrador. Por lo tanto siempre se tendrá contemplado un gasto elevado para la adquisición, aplicación y mantenimiento del proyecto. Por otro lado, estudiantes y empleados que conforman la institución pierden gran parte de su tiempo al realizar grandes filas para ingresar a estacionamientos, teniendo en cuenta que se está llevando un control de ingreso de vehículos mediante visualización del personal de seguridad contratado por la misma institución. 2.2 Objetivo general Determinar la ausencia o presencia de vehículos a la entrada del estacionamiento, para hacer funcionar una pluma que permite el ingreso de cada vehículo.
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2.3 Definición del problema técnico Implementar el diseño y construcción de un sistema digital para la detección vehicular a la entrada de un estacionamiento.
2.3.1 Objetivos particulares Se plantean los siguientes objetivos particulares para la resolución del problema técnico: a) Diseñar y construir un circuito oscilador inductivo. b) Investigar sobre el diseño y construcción de bucles inductivos. c) Diseñar y construir un circuito convertidor de señal senoidal a señal cuadrada. d) Diseñar, simular e implementar un circuito receptor que muestre la frecuencia de trabajo del oscilador inductivo. e) Realizar e implementar un algoritmo para considerar las variaciones de la frecuencia de salida del oscilador.
f) Realizar e implementar algoritmo para visualizar la detección y ajustar la sensibilidad del circuito. g) Investigar sobre la realización y construcción de barrera vehicular. 2.4 Justificación Este proyecto se desea realizar para poder tener un control del ingreso de vehículos a un estacionamiento de manera automática, en cuanto exista la presencia de un vehículo ante la entrada del estacionamiento, el sistema deberá detectar su presencia y determinar su ingreso, de esta manera se agilizará la entrada de alumnos y/o personal docente al instituto. El proyecto piloto que está en marcha en la UACJ requiere de implementar un diseño para poder sensar la presencia de un automóvil, el cual nos dé una respuesta eléctrica para determinar la presencia (o ausencia) de vehículos. El sistema será realizado 20
con los conocimientos adquiridos en el transcurso de la estancia en la universidad, a base de la experiencia de datos recabados en los antecedentes, e investigaciones preliminares de sistemas ya existentes. Aplicando la reingeniería para poder crear un sistema de bajo costo, dando de esta forma una aportación a la institución educativa a la que se pertenece, para la fabricación posterior de todos los sistemas detectores de vehículos para el acceso a cualquier estacionamiento de dicha institución. De esta forma se evita la compra de sensores complejos y equipos de costos elevados a compañías extranjeras, evitando de igual manera la dependencia que existe de las empresas suministradoras de sistemas o dispositivos adquiridos para poder brindar un servicio de mantenimiento o rediseño. Los usuarios se percatarán del beneficio para toda la comunidad universitaria dando este tipo de servicios y comodidades para el ingreso a cualquier estacionamiento de la institución. Tratando de contagiar el ámbito por la reingeniería en la utilización de sistemas por elaboración propia, aplicando los conocimientos que se tienen e inclinándose por el espíritu de la investigación. 2.5 Delimitaciones a) Se sensarán vehículos comunes, con dimensiones y masas ferrosas similares, pudiendo dejar fuera a vehículos pequeños y a vehículos con suspensiones elevadas. b) La eficiencia del sistema depende del cuidado y mantenimiento que se le dé al pavimento que recubre al bucle inductivo. c) Se cuenta con una limitación de tiempo de un semestre para el desarrollo del proyecto. d) A pesar de contar con financiamiento económico de la coordinación del departamento de la carrera, se establece un límite económico. e) No se cuenta con el completo acceso a toda la inmensa bibliografía existente, delimitando la investigación a lo existente en bibliotecas de la ciudad.
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CAPÍTULO 3 MARCO TEÓRICO
3.1 Fundamentos electromagnéticos La electricidad y el magnetismo guardan una estrecha relación entre sí. Veremos que son inseparables, puesto que hablamos de fuerzas eléctricas y fuerzas magnéticas. Sin embargo existe diferencia entre la fuerza eléctrica y la fuerza magnética, que incluye cargas eléctricas. Puesto que ambas fuerzas se originan esencialmente en cargas eléctricas, algunas veces se aplica a las dos la designación fuerza eléctrica [1]. 3.1.1 Campo magnético Un campo magnético tiene dos fuentes que lo originan. Una de ellas es una corriente eléctrica de convección, que da lugar a un campo magnético estático. Por otro lado una corriente de desplazamiento origina un campo magnético variante en el tiempo, incluso aunque aquélla sea estacionaria. La relación entre el campo magnético y una corriente eléctrica está dada por la ley de Ampere.
Figura 3.1. Campo magnético producido por una corriente eléctrica.
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Entonces un campo magnético es una región del espacio en la cual una carga eléctrica puntual de valor q que se desplaza a una velocidad v, sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad como al campo, llamada inducción magnética o densidad de flujo magnético. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente igualdad. (3.1) Donde B, es la inducción magnética o flujo magnético [2]. Como ejemplo para ver la naturaleza un poco distinta del campo magnético, basta considerar el intento de separar el polo de un imán. Aunque rompamos un imán por la mitad éste "reproduce" sus dos polos. Si ahora volvemos a partir otra vez en dos, nuevamente tendremos cada trozo con dos polos norte y sur diferenciados. En magnetismo no existen los monopolos magnéticos. Si bien algunos materiales magnéticos han sido conocidos desde la antigüedad, como por ejemplo el poder de atracción que sobre el hierro ejerce la magnetita, no fue sino hasta el siglo XIX cuando la relación entre la electricidad y el magnetismo quedó plasmada, pasando ambos campos de ser diferenciados a formar el cuerpo de lo que se conoce como electromagnetismo [3]. 3.1.2 Campo eléctrico El origen de los campos magnéticos en las corrientes eléctricas manifiestan la siguiente expresión: “una corriente más fuerte resulta en un campo más fuerte”. Entonces un campo eléctrico existe aunque no haya corriente. Cuando hay corriente, la magnitud del campo magnético cambiará con el consumo de potencia, pero la fuerza del campo eléctrico quedará igual. El campo eléctrico es la distorsión que sufre el espacio debido a la presencia de una carga. Considerando esto se puede obtener una expresión del campo eléctrico cuando éste sólo depende de la distancia entre las cargas: (3.2)
Matemáticamente un campo se lo describe mediante dos de sus propiedades, su divergencia y su rotacional. La ecuación que describe la divergencia del campo eléctrico se conoce como ley de Gauss y la de su rotacional es la ley de Faraday.
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Los campos eléctricos pueden tener su origen tanto en cargas eléctricas como en campos magnéticos variables. Las primeras descripciones de los fenómenos eléctricos, como la ley de Coulomb, sólo tenían en cuenta las cargas eléctricas, pero las investigaciones de Michael Faraday y los estudios posteriores de James Clerk Maxwell permitieron establecer las leyes completas en las que también se tiene en cuenta la variación del campo magnético Haciendo referencia a la figura 3.2, una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de líneas de fuerza radiales, puesto las fuerzas eléctricas actúan siempre en la dirección de la línea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia fuera porque las cargas móviles positivas se desplazarían en ese sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del campo debido a una carga puntual negativa el mapa de líneas de fuerza sería análogo, pero dirigidas hacia la carga central. Como consecuencia de lo anterior, en el caso de los campos debidos a varias cargas las líneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las negativas. Se dice por ello que las primeras son «manantiales» y las segundas «sumideros» de líneas de fuerza [4].
Figura 3.2. Líneas de campo eléctrico.
Esta definición general indica que el campo no es directamente medible, sino a través de la ponderación de la fuerza actuante sobre alguna carga. La idea de campo eléctrico fue propuesta por Faraday al demostrar el principio de inducción electromagnética [5]. 3.1.3 Campo electromagnético Existen diferentes fuentes de generación de campos electromagnéticos, en el medio en que vivimos, hay campos electromagnéticos por todas partes, pero son invisibles para el ojo humano. Se producen campos eléctricos por la acumulación de cargas eléctricas en determinadas zonas de la atmósfera por efecto de las tormentas. El campo magnético 24
terrestre provoca la orientación de las agujas de los compases en dirección norte-sur, los pájaros y peces lo utilizan para orientarse. Además de las fuentes naturales, en el espectro electromagnético existen también fuentes generadas por el hombre: Para diagnosticar la rotura de un hueso por un accidente deportivo, se utilizan rayos X. La electricidad surge de cualquier toma de corriente, lleva asociados campos electromagnéticos de frecuencia baja. Además, diversos tipos de ondas de radio de frecuencia más altas se utilizan para transmitir información, ya sea por medio de antenas de televisión, estaciones de radio o estaciones base de telefonía móvil. Un Campo electromagnético es un campo físico, de tipo tensorial, que afecta a partículas con carga eléctrica.
Figura 3.3. Desarrollo de un campo electromagnético.
Fijado un sistema de referencia podemos descomponer convencionalmente el campo electromagnético en una parte eléctrica y en una parte magnética. Sin embargo, un observador en movimiento relativo respecto a ese sistema de referencia medirá efectos eléctricos y magnéticos diferentes, lo cual ilustra la relatividad de lo que llamamos parte eléctrica y parte magnética del campo electromagnético. Como consecuencia de lo anterior tenemos que ni el "vector" campo eléctrico ni el "vector" de inducción magnética se comportan genuinamente como magnitudes físicas de tipo vectorial, sino que juntos constituyen un tensor para el que sí existen leyes de transformación físicamente esperadas [6][7]. 3.1.4 Corrientes de Foucault La corriente de Foucault (o corriente parásita) es un fenómeno eléctrico descubierto por el físico francés León Foucault. Se produce cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa. El movimiento relativo causa una circulación de electrones, o corriente inducida dentro del conductor. Estas corrientes circulares de Foucault crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del campo 25
magnético aplicado, tal como expresa la Ley de Lenz. Cuanto más fuerte sea el campo magnético aplicado, o mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa de movimiento, mayores serán las corrientes de Foucault y los campos opositores generados [8].
Figura 3.4. Corrientes de Foucault inducidas.
3.1.5 Inductor Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético. Un inductor está constituido usualmente por una cabeza hueca de una bobina de conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo de un material ferroso, para incrementar su capacidad de magnetismo [9].
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Figura 3.5. Diferentes tipos de inductores.
La bobina almacena energía eléctrica en forma de campo magnético cuando aumenta la intensidad de corriente, devolviéndola cuando ésta disminuye. Matemáticamente se puede demostrar que la energía, , almacenada por una bobina con inductancia L, que es recorrida por una corriente de intensidad I, viene dada por [12]: (3.3) Una bobina ideal en CC se comporta como un corto circuito (conductor ideal), ya que al ser i(t) constante, es decir, no varía en el tiempo, no hay autoinducción de ninguna FEM. (3.4) Una bobina real en régimen permanente se comporta como una resistencia cuyo valor RL será el de su devanado. En régimen transitorio, esto es, al conectar o desconectar un circuito con bobina, suceden fenómenos electromagnéticos que inciden sobre la corriente. En CA, una bobina ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente que recibe el nombre de reactancia inductiva, , cuyo valor viene dado por el producto de la pulsación ( ) por la inductancia, L: (3.5) 27
Al conectar una CA senoidal a una bobina aparecerá una corriente , también senoidal, esto es, variable, por lo que, aparecerá una fuerza contra electromotriz. Por tanto, cuando la corriente aumenta, disminuye para dificultar dicho aumento; análogamente, cuando disminuye, aumenta para oponerse a dicha disminución. Esto puede apreciarse en el diagrama de la figura 3.6. Entre 0º y 90º la curva es negativa, disminuyendo desde su valor máximo negativo hasta cero, observándose que e (t) va aumentando hasta alcanzar su máximo negativo. Entre 90º y 180º, la corriente aumenta desde cero hasta su valor máximo positivo, mientras e (t) disminuye hasta cero. Dado que la tensión aplicada, v (t) es igual a -e (t) , o lo que es lo mismo, está desfasada 180º respecto de e (t ), resulta que la corriente i (t) queda retrasada 90º respecto a la tensión aplicada. Por lo tanto, en los circuitos de CA, una bobina ideal se puede asimilar a una magnitud compleja sin parte real y parte imaginaria positiva: (3.6) En la bobina real, habrá que tener en cuenta la resistencia de su bobinado, RL, dependiendo del tipo de bobina o frecuencia de funcionamiento, aunque para análisis más precisos pueden utilizarse modelos más complejos que los anteriores [10].
Figura 3.6. Diagrama cartesiano de una bobina en CA.
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Examinando el comportamiento práctico de un inductor cuando se interrumpe el circuito que lo alimenta, como lo muestra la figura 3.8, en la figura 3.7 aparece un inductor que se carga a través de una resistencia y un interruptor. El condensador dibujado en punteado representa las capacidades parásitas del inductor. Está dibujado separado del inductor, pero en realidad forma parte de él, porque representa las capacidades parásitas de las vueltas del devanado entre ellas mismas. Todo inductor tiene capacidades parásitas, incluso los devanados especialmente concebidos para minimizarlas.
Figura 3.7. Circuito RL, inductor cargándose.
A un cierto momento definición de inductancia:
el interruptor se abre. Se expone a continuación la
(3.7) Para que la corriente que atraviesa el inductor se detenga instantáneamente, sería necesaria la aparición de una tensión infinita, y eso no puede suceder. ¿Qué hace la corriente? Pues continúa pasando. ¿Por dónde? Ella "se las arregla" para continuar. Al principio, el único camino que tiene es a través de las capacidades parásitas. La corriente continúa circulando a través de la capacidad parásita, cargando negativamente el punto alto del condensador en el dibujo.
Figura 3.8. Circuito RL, cargando capacidades parásitas.
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Nos encontramos con un circuito LC que oscilará a una pulsación: (3.8) Donde es el valor equivalente de las capacidades parásitas. Si los aislamientos del devanado son suficientemente resistentes a las altas tensiones, y si el interruptor conmuta bien el circuito, la oscilación continuará con una amplitud que se amortiguará debido a las pérdidas dieléctricas y resistivas de las capacidades parásitas del conductor que conforma el inductor [10].
Figura 3.9. Comportamiento del inductor.
3.1.6 Inductancia El término "inductancia" fue empleado por primera vez por Oliver Heaviside en febrero de 1886, mientras que el símbolo L se utiliza en honor al físico Heinrich Lenz. En un Inductor o bobina, se denomina inductancia, L, a la relación entre el flujo magnético, y la intensidad de corriente eléctrica, I: (3.9) El flujo que aparece en esta definición es el flujo producido por la corriente I exclusivamente. No deben incluirse flujos producidos por otras corrientes ni por imanes situados cerca ni por ondas electromagnéticas. 30
La inductancia, es un valor intrínseco de las bobinas, que depende del diámetro de las espiras y el número de ellas. En sistemas de corriente alterna, la reactancia inductiva se opone al cambio del sentido de la corriente y se calcula de la siguiente manera [11]: (3.10) Donde: XL = Reactancia Inductiva medida en Ohms ( ) π = Constante Pi. f = Frecuencia del sistema medida en Hertz (Hz) L = Inductancia medida en Henrios (H) La impedancia de una bobina por la que circula una corriente alterna queda alterada si se produce una superficie conductora dentro de su campo magnético. Ello es debido a que se inducen corrientes de Foucault en la superficie que crean su propio campo magnético, opuesto al de la bobina. Cuanto más próximas estén de la bobina de la superficie, mayor será el cambio de impedancia [12]. 3.1.7 Sensores inductivos Los sensores inductivos son una clase especial de sensores que sirven para detectar materiales ferromagnéticos. Son de gran utilización en la industria, tanto para aplicaciones de posicionamiento como para detectar la presencia de objetos metálicos en un determinado contexto (control de presencia o de ausencia, detección de paso, de atasco, de posicionamiento, de codificación y de conteo). Los sensores de proximidad inductivos contienen un devanado interno. Cuando una corriente circula por el mismo, un campo magnético es generado, que tiene la dirección de las flechas naranjas en la figura 3.10. Cuando un metal es acercado al campo magnético generado por el sensor de proximidad, éste es detectado. La bobina del sensor inductivo induce corrientes de Foucault en el material a detectar. Éstas, a su vez, generan un campo magnético que se opone al de la bobina del sensor, causando una reducción en la inductancia de la misma. Esta reducción en la inductancia de la bobina interna del sensor, trae aparejado una disminución en la impedancia de ésta [12] [13].
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Figura 3.10. Campo magnético generado por una corriente que circula por una bobina.
3.2 Fundamentos electrónicos En la actualidad el estudio de la electrónica se divide en dos áreas: electrónica analógica y electrónica digital. En el campo de la electrónica analógica, se encuentran aquellos dispositivos que durante su operación utilizan o manipulan señales análogas, como pueden ser: Voltaje, corriente eléctrica, temperatura, luminosidad, etc. En contraste a la electrónica analógica se encuentra el campo digital o electrónica digital, en donde los dispositivos operan solamente con voltaje de corriente directa a niveles de voltaje digital o voltaje binario, es decir, estos dispositivos únicamente reconocen dos tipos de señales; entre cinco volts de VCD para un nivel alto (uno lógico) y entre cero volts de VCD para un nivel bajo (cero lógico). 3.2.1 Ondas Las ondas periódicas están caracterizadas por crestas/montes y valles, y usualmente se categorizan como longitudinales o transversales. Una onda transversal es aquélla con las vibraciones perpendiculares a la dirección de propagación de la onda; ejemplos incluyen ondas en una cuerda y ondas electromagnéticas. Ondas longitudinales son aquéllas con vibraciones paralelas en la dirección de la propagación de las ondas; ejemplos incluyen ondas sonoras. • •
Cresta: La cresta es el punto más alto de dicha amplitud o punto máximo de saturación de la onda. Período: El periodo es el tiempo que tarda la onda de ir de un punto de máxima amplitud al siguiente. 32
• • • •
Amplitud: La amplitud es la distancia vertical entre una cresta y el punto medio de la onda. Nótese que pueden existir ondas cuya amplitud sea variable, es decir, crezca o decrezca con el paso del tiempo. Frecuencia: Número de veces que es repetida dicha vibración en otras palabras es una simple repetición de valores por un período determinado. Valle: Es el punto más bajo de una onda. Longitud de onda: Distancia que hay entre dos crestas consecutivas.
3.2.1.1 Descripción matemática de la onda sinusoidal Desde un punto de vista matemático, la onda más sencilla o fundamental es el armónico (sinusoidal) la cual es descrita por la ecuación:
(3.11) Donde A es la amplitud de una onda, una medida de máximo vacío en el medio durante un ciclo de onda (la distancia máxima desde el punto más alto del monte al equilibrio). En la figura 3.11, está es la distancia máxima vertical entre la base y la onda. Las unidades de amplitud dependen del tipo de onda, las ondas en una cuerda tienen una amplitud expresada como una distancia (metros), las ondas sonoras como presión (pascales) y ondas electromagnéticas como la amplitud del campo eléctrico (voltios/metros). La amplitud puede ser constante, o puede variar con el tiempo y/o posición. La forma de la variación de amplitud es llamada la envolvente de la onda.
Figura 3.11 Onda sinusoidal.
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La longitud de onda (λ) es la distancia entre dos montes o valles seguidos. Suele medirse en metros, aunque en óptica es más común usar los nanómetros o los Angstroms (Å). Un número de onda angular k puede ser asociado con la longitud de onda por la relación: (3.12) El periodo T es el tiempo para un ciclo completo de oscilación de la onda. La frecuencia f es cuantos periodos por unidad de tiempo (por ejemplo un segundo) y es medida en hertz. Esto es relacionado por: (3.13) En otras palabras, la frecuencia y el periodo de una onda son recíprocos entre sí. La frecuencia angular ω representa la frecuencia en radianes por segundo. Está relacionada con la frecuencia por (3.14) 3.2.2 Oscilador En electrónica un oscilador es un circuito capaz de convertir la CC en una corriente que varía de forma periódica en el tiempo (corriente periódica); estas oscilaciones pueden ser senoidales, cuadradas, triangulares, etc., dependiendo de la forma que tenga la onda producida. Un oscilador de onda cuadrada suele denominarse multivibrador y por lo tanto, se les llama osciladores sólo a los que funcionan en base al principio de oscilación natural que constituyen una bobina L (inductancia) y un condensador C (Capacitancia), mientras que a los demás se les asignan nombres especiales. En un oscilador electrónico lo que se pretende es obtener un sistema de oscilación que sea estable y periódico, manteniendo una frecuencia y una forma de onda constante. Para ello se aprovecha el proceso natural de oscilación amortiguada que poseen los circuitos compuestos por elementos capacitivos o inductivos. Estos elementos tienen la capacidad de almacenar carga eléctrica en su interior (cargarse eléctricamente) y descargarse cuando la carga que los alimentaba ha desaparecido [14]. 3.2.3 Oscilador LC Un oscilador LC está formado por una bobina y un condensador en paralelo. Su funcionamiento se basa en el almacenamiento de energía en forma de carga eléctrica en el condensador y en forma de campo magnético en la bobina.
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Al estar el condensador y la bobina en paralelo, la energía almacenada por el campo eléctrico del condensador (en forma de cargas electroestáticas), es absorbida por la bobina, que la almacena en su campo magnético, pero a continuación es absorbida y almacenada por el condensador, para ser nuevamente absorbida por la bobina, y así sucesivamente. Esto crea un vaivén de la corriente entre el condensador y la bobina. Este vaivén constituye una oscilación electromagnética, en la cual el campo eléctrico y el magnético son perpendiculares entre sí, lo que significa que nunca existen los dos al mismo tiempo, ya que cuando está el campo eléctrico en el condensador no existe campo magnético en la bobina, y viceversa [14].
Figura 3.12. Curvas de tensión en un oscilador LC.
La característica de este tipo de circuito, también conocido como circuito tanque LC, es que la velocidad con que fluye y regresa la corriente desde el condensador a la bobina o viceversa, se produce con una frecuencia (f) propia, denominada frecuencia de resonancia, que depende de los valores del condensador (C) y de la bobina (L), y viene dada por la siguiente fórmula [15]: (3.15) 3.2.4 Oscilador Hartley El Oscilador Hartley es un tipo de oscilador muy utilizado en receptores de radio con transistores, adaptándose con facilidad a una gran gama de frecuencias mediante el ajuste de un capacitor variable. Para su funcionamiento este circuito utiliza una bobina con derivación central. Analizando el diagrama de la figura 3.13, se ve que el punto de derivación D de la bobina L1, estará puesto a tierra para CA (a la frecuencia de oscilación) a través del condensador C4. De esta manera se logra que los extremos A y B de la bobina estén 180° fuera de fase. 35
El extremo B se realimenta a la base del transistor a través de C1, haciendo que el transistor cambie de estado, igualmente cambian las polaridades en los extremos de la bobina, repitiéndose el proceso y produciéndose así la oscilación. La función de la bobina L2 es de choque de RF y evita que la señal del oscilador pase a la fuente de alimentación [16].
Figura 3.13. Oscilador Hartley.
3.2.5 Oscilador Colpitts El oscilador Colpitts es un tipo de oscilador LC, es muy utilizado en generadores de frecuencia de alta calidad y se usa principalmente para obtener frecuencia por encima de 1Mhz. Su estabilidad es superior a la del oscilador Hartley. Para poder lograr la oscilación este circuito utiliza un divisor de tensión formado por dos capacitores: C1 y C2. De la unión de estos capacitores sale una conexión a tierra. De esta manera la tensión en las terminales superior de C1 e inferior de C2 tendrá tensiones opuestas. La realimentación positiva se obtiene de la terminal inferior de C2 y es llevada a la base del transistor a través de una resistencia y un condensador. [17].
Figura 3.14. Oscilador Colpitts.
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3.2.6 Oscilador de cristal Un oscilador de cristal es aquel oscilador que incluye en su realimentación un resonador piezoeléctrico, el cual se caracteriza por su estabilidad de frecuencia y pureza de fase, dada por el resonador. La frecuencia es estable frente a variaciones de la tensión de alimentación. La dependencia con la temperatura depende del resonador, pero un valor típico para cristales de cuarzo es de 0' 005% del valor a 25 °C, en el margen de 0 a 70 °C. Estos osciladores admiten un pequeño ajuste de frecuencia, con un condensador en serie con el resonador, que aproxima la frecuencia de éste, de la resonancia serie a la paralela. Este ajuste se puede utilizar en los VCO para modular su salida [18].
Figura 3.15. Cristal de cuarzo.
3.2.7 Diodo rectificador Un diodo (del griego: dos caminos) es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección con características similares a un interruptor. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest [19].
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Figura 3.16. Curva característica del diodo rectificador.
El rectificador de media onda es un circuito empleado para eliminar la parte negativa o positiva de una señal de corriente alterna de entrada (Vi) convirtiéndola en corriente directa de salida (Vo). Es el circuito más sencillo que puede construirse con un diodo.
Figura 3.17. Rectificador de media onda.
Figura 3.18. Proceso de rectificación de media onda.
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3.2.8 MCU Los MCU se utilizan en circuitos electrónicos comerciales desde hace unos años de forma masiva, debido a que permiten reducir el tamaño y el costo de los equipos. Un ejemplo de éstos son los teléfonos móviles, las cámaras de video, la televisión digital, la transmisión por satélite, los hornos de microondas, por mencionar algunos. En los últimos años se ha facilitado enormemente el trabajo con los MCU al bajar los precios, aumentar las prestaciones y simplificar los montajes, de manera que en muchas ocasiones merece la pena utilizarlos en aplicaciones donde antes se utilizaba lógica discreta. En este auge ha influido decisivamente la política de Microchip al ofrecer la documentación y todo el software necesario de forma gratuita en su página Web www.microchip.com. Esto, junto con otras cuestiones técnicas, ha hecho que hoy en día resulte muy fácil incluir los MCU PIC no sólo en los diseños de los aficionados a la electrónica, sino también en complejos diseños digitales. Entre los MCU PIC destaca el PIC16F84A cuya simplicidad, prestaciones, facilidad de uso y precio lo han convertido en el más popular de los MCU. Cuenta con una arquitectura de 8 bits, 18 pins, y un set de instrucciones RISC muy amigable para memorizar y fácil de entender, internamente consta de: • • • • • •
Memoria Flash de programa (1K x 14). Memoria EEPROM de datos (64 x 8). Memoria RAM (68 registros x 8). Un temporizador/contador (Timer de 8 bits). Un divisor de frecuencia. Varios puertos de entrada-salida (13 pines en dos puertos, 5 pines el puerto A y 8 pines el puerto B).
Figura 3.19. Diagrama de pines del PIC16F84A.
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Otras características son: • • • •
• • • •
Manejo de interrupciones (de 4 fuentes). Perro guardián (watchdog). Bajo consumo. Frecuencia de reloj externa máxima 20MHz. La frecuencia de reloj interna es un cuarto de la externa, lo que significa que con un reloj de 20Mhz, el reloj interno sería de 5Mhz y así pues se ejecutan 5 MIPS. No posee conversores analógicos-digital ni digital-analógicos. Pipe-line de 2 etapas, 1 para búsqueda de instrucción y otra para la ejecución de la instrucción (los saltos ocupan un ciclo más). Repertorio de instrucciones reducido (RISC), con tan sólo 30 instrucciones distintas. 4 tipos distintos de instrucciones, orientadas a byte, orientadas a bit, operación entre registros, de salto [20] [21] [22].
Figura 3.20. Diagrama de bloques del PIC16F84A. 40
En el Apéndice B se encuentra información más detallada y con aspectos más técnicos sobre las características del MCU. 3.2.8.1 Conexiones básicas del MCU Las diferentes conexiones presentadas en el MCU que se consideran básicas son presentadas a continuación. 3.2.8.1.1 Alimentación del MCU Normalmente el MCU PIC16F84A es alimentado con 5V aplicados entre las terminales Vdd y Vss, que son alimentación y masa respectivamente. 3.2.8.1.2 Oscilador Todo MCU requiere de un circuito que le indique la velocidad de trabajo, es el llamado oscilador o reloj. Éste genera una onda cuadrada de alta frecuencia que se utiliza como señal para sincronizar todas las operaciones del sistema. Este circuito es muy simple pero de vital importancia para el buen funcionamiento del sistema. Generalmente todos los componentes del reloj se encuentran integrados en el propio MCU y tan sólo requieren unos pocos componentes externos, como un cristal de cuarzo o una red RC, para definir la frecuencia de trabajo. En el PIC16F84A los pines OSC1/CLKIN y OSC2/CLKOUT son las líneas utilizadas para este fin. En este caso se utiliza un oscilador XT, el cual se muestra físicamente en la figura 3.15. 3.2.8.1.3 Reset El llamado reset en un MCU provoca la reinicialización de su funcionamiento, un “comienzo a funcionar desde cero”. En este estado, la mayoría de los dispositivos internos del MCU toman un estado conocido. En los MCU se requiere un pin de reset para reiniciar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario. El pin de reset en los PIC se denomina MCLR (Master Clear) y produce un reset cuando se le aplica un nivel lógico bajo. 3.2.8.2 Conexión de periféricos al MCU El MCU se comunica con el mundo exterior a través de los puertos. Éstos están construidos por líneas digitales de entrada/salida que trabajan a 0 y 5V. Los puertos se pueden configurar como entradas para recibir datos o como salidas para gobernar dispositivos externos. 41
3.2.8.2.1 Puertos de entrada/salida El PIC16F84A tiene dos puertos, tal como se ilustra en el diagrama a bloques de la figura 3.20: • •
El puerto A con 5 líneas, pines RA0 a RA4. El puerto B con 8 líneas, pines RB0 a RB7.
Cada línea puede ser configurada como entrada o como salida, independientemente una de otras, según se programe. Las líneas son capaces de entregar niveles TTL cuando la tensión de alimentación aplicada en Vdd es de 5V. La máxima capacidad de corriente de cada una de ellas es: •
•
25mA en lógica negativa. Sin embargo, la suma de las intensidades por las 5 líneas del Puerto A no puede exceder de 80mA, ni la suma de las 8 líneas del puerto B puede exceder de 150mA. 20mA en lógica positiva. Sin embargo, la suma de las intensidades por las 5 líneas del Puerto A no puede exceder de 50mA, ni la suma de las 8 líneas del puerto B puede exceder de 100mA.
3.2.8.2.2 Conexión de LCD Las pantallas LCD para mensajes tienen la capacidad de mostrar cualquier carácter alfanumérico, permitiendo representar la información que genera cualquier equipo electrónico de una forma fácil y económica. La pantalla consta de una matriz de caracteres (normalmente de 5x7 puntos) distribuidos en dos líneas de 16 hasta 40 caracteres cada línea. El proceso de visualización es gobernado por un MCU incorporado a la pantalla, siendo el Hitachi 44780 el modelo más utilizado. Distintos fabricantes ofrecen multitud de versiones de visualizadores de cristal líquido. El modelo utilizado es el SMC-1622 de la marca Samsung, que es un módulo LCD de dos líneas de diez y seis caracteres cada una. Su fácil manejo lo hace ideal para dispositivos que necesitan una capacidad de visualización pequeña o media. La alimentación es de +5V. La regulación de contraste se realiza mediante el voltaje obtenido al dividir los 5V con una resistencia ajustable de 10KΩ (RV1) y aplicárselo al pin VEE. 42
3.2.8.2.3 Conexión de DIP switch Los interruptores y pulsadores son dispositivos que permiten introducir un nivel lógico “0” ó “1” según la posición en que se encuentren, “cerrado” o “abierto”. La lectura del estado de interruptores y pulsadores es muy simple, basta con conectar estos dispositivos a una entrada y tierra, forzar la entrada a una nivel lógico alto (5V) mediante una resistencia Pull-Up de unos 10KΩ. 3.2.8.3 Grabación del MCU Un MCU es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes necesarios para controlar el funcionamiento de una tarea determinada. El MCU dispone de una memoria de programa interna donde se almacena el programa que controla dicha tarea y que consiste realmente en una serie de números hexadecimales.
Figura 3.21. Grabación del MCU.
3.2.8.3.1 Material y equipo requerido para la grabación del MCU • • • • • • •
Computadora. Cable serial. Software programador (IC-Prog) Programador TE20-SE. Fichero .HEX. MCU Pinzas para desensamble.
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3.2.8.3.2 Proceso de grabación Antes que nada hay que conectar el programador a unos de los puertos serie COM disponibles en el ordenador formando la estructura indicada en la figura 3.21, después de haber instalado correctamente el IC-Prog, haber cargado el archivo para que trabaje en plataforma Windows, se selecciona el MCU a utilizar, se seleccionan los dispositivos de hardware que se requieren, esto corresponde a lo descrito en el software. Para luego proceder al borrado de la memoria del MCU, y cargar el fichero correspondiente en hexadecimal del programa creado para luego oprimir el botón de grabado y esperar a que termine la operación. 3.2.8.3.3 Reset por software El PIC16F84A también permite el llamado Power-On Reset (POR), que proporciona un reset al MCU en el momento de conectar la fuente de alimentación. El PIC dispone de un temporizador denominado Reset PWRT (Power-up Timer), que proporciona un retardo de 72ms desde el momento de la conexión a la alimentación; un reset se mantiene durante este tiempo, garantizando que VCC alcance un nivel aceptable de tensión para un arranque correcto del sistema. Para utilizar este tipo de reset, hay que conectar el pin MCLR al positivo de la alimentación. Además, hay que programarlo así durante el proceso de grabación. 3.3 Fundamentos de software 3.3.1 Entorno MPLAB El MPLAB IDE es un software de “Entorno de Desarrollo Integrado” que se ejecuta bajo Windows. Con este entorno se puede desarrollar aplicaciones para los MCUs PIC. El MPLAB incluye todas las utilidades necesarias para realización de proyectos con MCU PIC, permite editar archivo fuente del proyecto, además de ensamblarlo y simularlo en pantalla para comprobar cómo evolucionan tanto la memoria de datos RAM, como la de programa ROM, los registros SFR, etc., según progresa la ejecución del programa. El MPLAB incluye: • • • •
Un editor de texto. Un ensamblador llamado MPASM. Un simulador llamado MPLAB SIM. Un organizador de proyectos.
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Este programa es gratuito. Se puede bajar en la dirección de Internet del fabricante www.microchip.com. Su instalación es muy sencilla y similar a cualquier otro programa para el sistema operativo Windows. 3.3.1.1 Directivas Las directivas del ensamblador no son instrucciones del MCU, sino que son herramientas del programa ensamblador, que hacen que al programador le resulte más sencilla la programación. Se observan las directivas en letras mayúsculas y de color azul. LIST es una directiva que tiene efecto sobre el proceso de ensamblado y sobre el formato del fichero listable de salida, y en este caso es la que indica el procesador utilizado. Con la directiva INCLUDE, el archivo especificado se lee como código fuente, en este caso, el fichero de definición P16F84A.INC es el que se lee como código fuente. La directiva __CONFIG la cual se utiliza para la definición de los bit de la palabra de configuración del MCU, el valor descrito en la expresión indica la configuración para el proceso de grabación del MCU. 3.3.2 Software de grabación IC-Prog El IC-Prog es uno de los softwares más populares para la grabación de MCU PIC. Permite la programación de muchos dispositivos y está probado con numerosos programadores, entre ellos todos los compatibles con JDM (desarrollado por Jens Dyekjær Madsen). Es de libre distribución y en la página Web www.ic-prog.com se puede descargar y recoger toda la información de uso.
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CAPÍTULO 4 MATERIALES Y MÉTODOS
En este capítulo se dará a conocer el equipo y material utilizado para llevar a cabo el diseño y construcción del sistema digital detector de vehículos, tales como: hardware y software de diseño, desarrollo y apoyo académico. Se mostrarán las múltiples herramientas utilizadas para llevar a cabo la implementación del proyecto, el equipo de prueba y medición utilizados, así como la metodología empleada para llevar a cabo el diseño y construcción de: el bucle inductivo, el circuito tanque LC, la etapa de retroalimentación regenerativa y amplificación, el oscilador Colpitts, el convertidor de onda, la etapa de rectificación y el circuito detector. Se explicará la inventiva aplicada para llevar a cabo el software de control el cual va en el MCU. Así como la elaboración del hardware requerido para que todo quede embebido en la PCB. 4.1 Equipo de prueba, medición e implementación 4.1.1 Herramientas de desarrollo de software, simulación, diseño e implementación •
Computadora de escritorio marca DELL OPTIPLEX GX con Windows XP.
Figura 4.1. Equipo de cómputo utilizado.
46
•
Programador JDM TE20-SE.
Figura 4.2. Programador utilizado.
•
PROTEUS, ISIS Schematic capture.
Figura 4.3. Herramienta de diseño esquemático y simulación.
•
PROTEUS, ARES PCB layout.
Figura 4.4. Herramienta de diseño de PCB y visualización 3D.
47
•
Microchip, MPLAB IDE.
Figura 4.5. Herramienta de desarrollo de software.
•
IC-Prog.
Figura 4.6. Pantalla típica del IC-Prog.
4.1.2 Equipo de medición •
Multímetro digital marca Agilent.
Figura 4.7. Multímetro utilizado.
48
•
Medidor LCR.
Figura 4.8. Medidor LCR utilizado.
•
Osciloscopio Digital marca HP 54603B, 60MHz 2 canales.
Figura 4.9. Osciloscopio utilizado.
4.1.3 Equipo de suministro y simulación •
Fuente de voltaje marca Agilent serie E3631.
Figura 4.10. Fuente de voltaje utilizada.
49
•
Generador de funciones marca HP 33120A.
Figura 4.11. Generador de funciones utilizado.
4.2 Diseño y construcción de bucle inductivo La eficiencia y fiabilidad que tenga el sistema de detección vehicular depende de la calidad que tengan tanto el bucle inductivo como el cable de enlace a desarrollar. El bucle inductivo consiste de varias vueltas de hilo conductor, situado éste en el suelo, formando un rectángulo grande de área de entre 1m² a 3m² siendo éste el elemento sensible de la detección y el cable de enlace es quién interconecta con los próximos elementos interpretadores de cambios ocasionados en el bucle inductivo. El bucle inductivo puede ser construido con cable monoconductor o multiconductor, donde a final de cuentas tiene que ser conectado eléctricamente en serie, y con un sentido y orientación previamente definidos. Es importante destacar que cuando el bucle inductivo sea adherido en el suelo se tiene que tener especial cuidado con el uso de las herramientas que serán utilizadas, para no atacar su aislante. El bucle inductivo tendrá que quedar totalmente inmóvil sobre la regata que se construye en el pavimento a una profundidad de 30 a 40mm y una anchura entre 5 y 7mm , una vez introducido se tendrá que cubrir con un producto especial como lo puede ser resina bituminosa, silicona, resina de poliuretano entre otras. De igual manera el cable de enlace, que es el que une al bucle inductivo con el circuito detector, tiene que quedar perfectamente inmóvil y con un trenzado hasta el conector donde llega al circuito detector. Es importante evitar que el cable de enlace circule con cables de potencia. 4.2.1 Características eléctricas del bucle inductivo La respuesta generada es proporcional a la superficie del bucle, así como a, la envergadura y posición del vehículo en presencia. La dimensión depende pues de la 50
aplicación. El número de espiras está en función del perímetro del bucle, para así obtener un valor de la inductancia de 100µH o superior. Siendo esto lo recomendable respecto a la fabricación de bucles inductivos instalados en campo para ingeniería de transito. Una formula utilizable para calcular la inductancia del bucle inductivo es:
(4.1)
Donde: L = Inductancia medida en Henrios (H). P = Perímetro en metros (m). n = Numero de vueltas o espiras. Pudiendo ahora definir los parámetros para el diseño, construcción e implementación del bucle inductivo en campo: •
Inductancia: La inductancia vista desde el circuito detector estará comprendida entre un rango de 20 a 700 µH dependiendo de la sensibilidad del detector utilizado. Los valores normalmente utilizados están entre 100 a 200µH.
•
Resistencia: La resistencia total vista desde el circuito detector será inferior a los 10Ω. Considerando que el valor óhmico de un conductor calibre 16 CAE es de 13.5Ω por 1000m.
•
Aislamiento: El aislamiento con relación a tierra, será superior a 10 MΩ.
•
Geometría: El perímetro del bucle estará comprendido entre 3.5m y 25.0m. Según la aplicación que se requiera, si por ejemplo, se utiliza un bucle de 2.0m x 2.0m el conjunto del tractor y de los remolques se considerarán como un sólo vehículo. Si se utiliza un bucle de 2.0m x 1.0m, o más estrecho, el tractor y el remolque pueden verse como vehículos independientes entre sí.
En la práctica, se procura que el bucle inductivo sea algo más ancho, para compensar las variaciones de vehículos y sus trayectorias, por lo tanto se deberá tomar
51
a consideración una tolerancia de .72µH por cada metro en la inductancia del bucle inductivo [25]. 4.2.2 Material y equipo utilizado para la construcción del bucle inductivo de prueba • • • • • • •
Cable 14 CAE. Grapa para cable. Cinta aislante. Clavos para madera de 2 pulgadas. Madera tipo triplay de 2.45x1.20m. LCR. Martillo.
Figura 4.12. Cable 14 CAE, utilizado para construir bucle inductivo de prueba.
4.2.3 Diseño del bucle inductivo de prueba Utilizando la fórmula 4.1 se diseñó un bucle inductivo de cuatro espiras utilizando la madera tipo triplay, para obtener una inductancia teórica de 119.72µH. Tabla 4.1 Determinación del numero de espiras.
P =2(2.45m)+2(1.20m)
n
7.3m
3 4 5
71,83µH 119,72µH 179,58µH
52
Figura 4.13. Dimensiones del bucle inductivo de prueba.
4.2.4 Construcción del bucle inductivo de prueba Se utilizó la madera triplay mencionada en el punto 4.2.2, se instalaron cuatro clavos provisionales en sus extremos y otros dos a la mitad del largo, para proceder a dar las cuatro espiras del embobinado y adherir las espiras con cinta aislante. Al quedar fijo el embobinado, se procede a fijar el bucle a la tabla con las grapas para cable. Se toma a consideración el largo considerable del cable de retorno. Figura 4.15. Bucle inductivo de prueba terminado
Figura 4.14. Construcción del bucle.
Figura 4.15. Bucle inductivo de prueba terminado
4.3 Diseño y construcción de oscilador inductivo Se considera que los cambios en la inductancia de la bobina detectora tienen que llegar a ser interpretados de una manera más directa (que con el simple cambio de la inductancia), de esta manera se opta por diseñar un oscilador inductivo, en donde el bucle inductivo sea la parte sensorial, para poder detectar la presencia del vehículo con los 53
cambios presentados en la inductancia del bucle y que dichos cambios se hagan presentes en la frecuencia de salida del oscilador inductivo. El oscilador inductivo, formado por la etapa determinadora de frecuencia, circuito tanque y una etapa de retroalimentación regenerativa, el cual se explica con mayor énfasis en el punto 3.2.2, y se expresa gráficamente en el diagrama a bloques de la figura 4.16. La operación de este circuito tanque involucra un intercambio de energía entre cinética y potencial. Es la misma etapa de circuito tanque para los diferentes osciladores diseñados. Se realizaron diferentes diseños de osciladores Colpitts basados en diferentes dispositivos electrónicos, en la etapa de resultados y conclusiones se verá que oscilador es más viable para llevar a cabo la detección.
Figura 4.16. Diagrama a bloques de Oscilador inductivo.
4.3.1 Etapa, circuito tanque LC Los osciladores LC son circuitos osciladores que utilizan un circuito tanque LC que son los componentes que determinan la frecuencia. La operación del circuito tanque involucra un intercambio de energía entre cinética y potencial, en el punto 3.2.3 se extiende una explicación al respecto. Se dio a conocer la fórmula (3.15) para determinar dicha frecuencia, y donde C viene dado por la siguiente expresión: (4.2)
Por lo tanto, considerando que se pretende obtener una frecuencia cercana a los 100Khz, y a partir de la inductancia obtenida en el punto 4.2.3. Aplicando la fórmula 3.15 se obtiene el valor de C calculado:
54
Apoyándose de la fórmula 4.2, se obtienen la capacitancia sugerida para cada uno de los capacitores del circuito tanque LC, esto, a partir de los siguientes cálculos:
; donde C1=C2.
El valor capacitivo que más se asemeja a lo sugerido y que ronda en el mercado comercial, son los capacitores cerámicos con valor de 47nF, siendo éstos los valores escogidos. Por lo tanto se obtiene un valor de C como a continuación se presenta:
Por lo tanto se tiene una frecuencia teórica calculada a partir de la fórmula 3.15, sin considerar presencia de ningún material ferromagnético sobre el bucle inductivo de:
Figura 4.17. Circuito tanque.
4.3.2 Etapa, retroalimentación regenerativa y amplificación Un oscilador retroalimentado es un amplificador con un lazo de retroalimentación, es decir, con un paso para que la energía se propague desde la salida y regrese a la entrada. Una vez encendido, un oscilador retroalimentado genera una señal de salida de CA, de la cual se regresa una pequeña parte a la entrada, donde se amplifica. La señal amplificada en la entrada aparece en la salida, y el proceso se repite; se produce un proceso regenerativo, en el que la salida depende de la entrada y viceversa. 55
De acuerdo con el criterio de Barkhausen, para que un circuito retroalimentado sostenga oscilaciones, la ganancia neta de voltaje en torno al lazo de retroalimentación debe ser igual o mayor a la unidad, y el desplazamiento neto de fase en torno al lazo debe ser un múltiplo entero positivo de 360°. Hay cuatro requisitos para que trabaje un oscilador retroalimentado: amplificación, retroalimentación positiva, determinación de frecuencia y una fuente de potencia eléctrica. Con respecto a la retroalimentación positiva un circuito oscilador debe tener una trayectoria completa para que la señal de salida regrese a la entrada. La señal de retroalimentación debe ser regenerativa, y eso quiere decir que debe tener la fase correcta y la amplitud necesaria para sostener las oscilaciones. Si la fase es incorrecta, o si la amplitud es insuficiente las oscilaciones cesan. Si la amplitud es excesiva, el amplificador se satura. La retroalimentación regenerativa se llama también retroalimentación positiva, donde “positiva” simplemente indica que su fase ayuda en el proceso de oscilación, y no necesariamente indica una polaridad positiva (+) o negativa (-). La retroalimentación degenerativa se llama retroalimentación negativa, y proporciona una señal de retroalimentación que inhibe la producción de oscilaciones. 4.3.3 Diseño y construcción de oscilador Colpitts basado en BJT El oscilador Colpitts con BJT, es un circuito electrónico basado en un oscilador LC, como se detalló en el punto 3.2.5, y en donde se extiende la explicación de la manera cómo es llevada a cabo la retroalimentación regenerativa por medio de la base del transistor Q1, de igual manera se explica el funcionamiento de los demás dispositivos. 4.3.3.1 Material y equipo complementario utilizado para la construcción de oscilador Colpitts basado en BJT • Resistencias de ½ Watt. RB1=15KΩ, RB2=4.7KΩ, RC1=2.2KΩ, RE1=1KΩ. • Trimpot de 20 vueltas 10KΩ. • Transistor MPS6531. • Capacitores electrolíticos: C1=100µF, C2=1 µF, C3= 1µF. • Capacitores cerámicos= C4=47nF, C5=47F. • Terminales para PCB con 3 tornillos: J1 y J2. • Placa fenólica para proyectos. • Filtro choque. Material de utilización general: 56
• • • • • • • • • • • • • •
Cepillo para limpiar tablillas. Thinner industrial. Pasta para soldar en lata con 25gr (flux). Estación regulable con cautín tipo lápiz, Weller. Extractor de soldadura. Malla para desoldar Rollo de soldadura. Pinzas de corte. Pinzas de punta. Juego de desarmadores metálicos tipo relojero. Multímetro digital de bolsillo. LCR. Osciloscopio. Fuente de voltaje.
4.3.3.2 Diseño de oscilador Colpitts basado en BJT Se diseñó el siguiente circuito esquemático en la computadora utilizando ISIS de PROTEUS:
Figura 4.18. Oscilador Colpitts basado en BJT. 57
4.3.3.3 Construcción de oscilador Colpitts basado en BJT Una vez simulado en ISIS se procedió a construir el circuito en tablilla de cobre perforada, ya que no se puede utilizar la común tablilla de pruebas, mejor conocido como Protoboard, gracias a que entre sus láminas (pistas que lo unen) se crean capacitancias que pueden llegar a afectar en el funcionamiento del circuito. Y se utiliza tablilla perforada para hacer pruebas y evitarse la fatiga de estar haciendo múltiples circuitos impresos, por lo tanto las interconexiones están hechas con cable. Se soldaron los diferentes componentes y semiconductores, se realizaron las conexiones correspondientes al circuito esquemático de la figura 4.18, se limpió la tablilla con thinner industrial y cepillo para dejar fuera las impurezas de la soldadura y evitar falsos contactos, y se procedió a identificar los conectores, para posteriores pruebas. La tablilla quedó ensamblada como se muestra en las figuras 4.19-4.22:
Figura 4.20. Filtro Choque.
Figura 4.19. Oscilador basado en BJT.
Figura 4.20. Filtro choque.
Figura 4.22. Trimpot de ajuste de amplitud
Figura 4.21. Conectores del oscilador.
Figura 4.22. Trimpot de ajuste de amplitud
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4.3.4 Diseño y construcción de oscilador Colpitts basado en OPAM Después de lo recopilado en la investigación bibliográfica, lo cual se plasma en el capitulo referente al marco teórico se plantea realizar el oscilador inductivo Colpitts en base a OPAM, para ver su comportamiento y su fiabilidad en el sistema, en la siguiente sección se expresa la metodología llevada a cabo para su diseño y construcción. 4.3.4.1 Material y equipo complementario utilizado para la construcción de oscilador Colpitts basado en OPAM • • • • •
Resistencias de ½ Watt, R1=1KΩ, R2=10KΩ. Amplificador operacional, U1A=TL084. Capacitores cerámicos, C1=47nF, C2=47nF. Terminales con tres tornillos: J1, J2, J3. Placa fenólica para proyectos. Además de las herramientas de utilización general.
4.3.4.2 Diseño de oscilador Colpitts basado en OPAM Se diseñó el circuito esquemático de la figura 4.23 utilizando ISIS de PROTEUS, donde se observa que los elementos determinadores de frecuencia siguen preservando el mismo valor que en el circuito esquemático anteriormente diseñado. Ahora el elemento central para lograr la retroalimentación regenerativa y amplificación necesaria se produce mediante el OPAM TL084. En dicho circuito se distingue las redes desfasadoras y los circuitos oscilantes.
Oscilador Colpitts basado en OPAM.
Figura 4.23. Oscilador Colpitts basado en OPAM. 59
4.3.4.3 Construcción de oscilador Colpitts basado en OPAM Se procedió a soldar y conectar los componentes electrónicos conforme a los establecido en el diagrama esquemático de la figura 4.23, se soldó una base para integrado de 14 pines para que el elemento central que logra la retroalimentación regenerativa pueda ser de fácil ensamble y desensamble, en este caso es el circuito integrado TL084 en el cual se encuentran cuatro OPAMs internos (se puede llegar a saber más de éste en el Apéndice E). Es importante destacar que este circuito cuenta con una tensión de suministro más baja que en el circuito anteriormente diseñado, ya que son dos voltajes de la misma amplitud pero con diferente polaridad, se hizo énfasis en la identificación de los conectores que conforman la tablilla.
Figura 4.25 Prueba del Oscilador.
Figura 4.24 Oscilador basado en OPAM.
Figura 4.25 Prueba del oscilador.
4.3.5 Etapa, conversión de onda Se considera la señal senoidal como respuesta a la salida del sistema, pero para que un dispositivo digital como el MCU pueda interpretar los diferentes sucesos, requiere que le lleguen los datos de manera binara. Para que el MCU interprete la frecuencia del oscilador y se lleve a cabo la detección, se plantea utilizar un contador de frecuencia, es por ello que se requiere utilizar un OPAM, el cual funcione como comparador, para así convertir la señal senoidal en señal cuadrada y de esta manera pueda ser interpretada perfectamente por el MCU a utilizar. 4.3.5.1 Material y equipo utilizado para la construcción del convertidor de onda • •
Amplificador operacional, U3=AD817. Base para integrado DIP 8
Además de las herramientas de utilización general. 60
4.3.5.2 Diseño de convertidor de onda El diseño fabricado en ISIS de Proteus correspondiente a la figura 4.23, fue modificado para agregarle la conversión de onda tal cual se muestra en la figura 4.26. Donde el AD817 es el integrado encargado de realizar dicha conversión.
Figura 4.26. Oscilador con señal cuadrada.
El AD817 es un integrado en empaquetado DIP 8 que trabaja de ±5 a un rango de ±15VDC con una corriente máxima de 7.5mA, es un integrado económico, excelente para aplicaciones de amplio espectro, para acondicionamiento de señales y aplicaciones de adquisición de datos. Dicho OPAM se utiliza en bucle abierto para que funcione como comparador y haga lo que su nombre indica, comparar un voltaje con otro voltaje y señala cuál de ellos es mayor, en este caso se está comparando contra tierra (0V). Si Vin es mayor que 0V, lo cual significa que es positivo, la salida pasará a saturación positiva, casi +5V. Si Vin es menor que 0V lo cual significa que es negativo, la salida pasará a saturación negativa, casi -5V. Siempre que Vin exceda una fracción de milivoltio, la salida pasará a uno o al otro de estos extremos debido a la ganancia en lazo abierto que es muy grande. De esa forma el voltaje de salida de un comparador de voltaje indica el resultado de la comparación.
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4.3.5.3 Construcción de convertidor de onda En la placa fenólica donde se construyó e implementó el oscilador en base a OPAM, se incluyó una base para integrado de 8 pins, en donde se colocará el AD817, al cual se le interconecto su alimentación y se realizaron las respectivas conexiones tal cual lo muestra el diagrama esquemático de la figura 4.26.
Figura 4.27. Oscilador con onda cuadrada.
4.3.6 Etapa, rectificación de la parte negativa de la señal
Utilizando el diodo D6=1N4001 del fabricante Fairchild como rectificador de mediana onda (tal cual es representado por el circuito esquemático expuesto en la figura 3.17), el MCU está listo para llevar a cabo la interpretación de las variaciones en la frecuencia. 4.3.6.1 Diseño e implementación de la etapa rectificadora Se conectó el diodo en polarización directa y se transportó la señal al MCU, tal cual se aprecia en la figura 4.28; donde se observa al cable de color amarillo, el cual es el que transporta la señal y a partir del diodo, la señal es rectificada y conectada directamente al pin del MCU con el que se interpretarán los cambios de la frecuencia del Oscilador inductivo.
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Figura 4.28. Diodo rectificando la señal al MCU.
4.4 Diseño y construcción de circuito detector Para llevar a cabo la interpretación del comportamiento de la frecuencia del Oscilador inductivo, se implementa la utilización de un MCU PIC, el cual es escogido por sus atributos ya mencionados en el punto 3.2.8 y por los requerimientos, necesidades y justificaciones que se citan a continuación: oscilador de cristal externo ya que se requieren temporizaciones exactas para la medición de la frecuencia, para dicho MCU se cuenta con un extenso repertorio de librerías, y se tiene una gran familiarización con dicho MCU. De esta manera el MCU PIC16F84A es la parte central del circuito detector, teniendo a demás elementos de visualización y periféricos de entrada, para así poder verificar y controlar el comportamiento del sistema, tales como lo son: una pantalla LCD, barra de LEDs, DIP switch, potenciómetro de intensidad, potenciómetro de contraste.
4.4.1 Desarrollo de Hardware El hardware es la parte tangible del sistema, los componentes utilizados y la manera de conectarlos se expresan en la siguiente sección.
4.4.1.1 Material y equipo utilizado para la construcción del circuito detector • Tableta para prototipos. • MCU, U2=PIC16F84A. • Interruptor pulsador, SW1. 63
• • • • • •
Cristal de cuarzo, X1=4Mhz. Capacitores cerámicos, C3=22pF, C4=22pF, C5=100nF. DIP switch, DSW1. Diodos LED color rojo ultra brillante de 5mm D1 a D5. Resistencia variable, RV1=10K Ω, RV2=10K Ω. Resistencias de ½ Watt, R3=100Ω, R4 a R7: 10KΩ, R8 a R12: 330Ω.
Además de haber utilizado ISIS de PROTEUS para el diseño y simulación de circuitos esquemáticos, y parte de las herramientas generales para: doblar, moldear, dirigir y cortar cable para realizar las conexiones en la tableta de prototipos.
4.4.1.2 Conexiones del MCU y sus periféricos Se presenta a continuación un diagrama a bloques en la figura 4.29, donde se muestran las diferentes etapas que empiezan a conformar el sistema:
Figura 4.29. Diagrama a bloques de circuito detector
En el diagrama esquemático de la figura 4.31 no se consideran los pines de conexión Vdd y Vss del MCU para fines de simulación. Pero se aclara que las terminales Power corresponden a Vdd y las terminales Ground a Vss. El oscilador de cuarzo de 4Mhz que permite una frecuencia de reloj muy estable, y aunados a éste, dos capacitores cerámicos de 22pF que se aprecian en el diagrama esquemático de la figura 4.31.
64
Para tener un control sobre el reset del sistema, se le conecta un pulsador tal como se muestra en el diagrama esquemático de la figura 4.31, así se consigue un reset manual llevando momentáneamente el pin MCLR a masa, cada vez que se presione el pulsador SW1. El reset permanecerá mientras tengamos el pulsador presionado y no comenzará la secuencia de arranque hasta que no lo liberemos, suministrando un nivel lógico “1” al pin MCLR. Así por ejemplo, en el circuito de la figura 4.31 las líneas RA0 y RA2 son configuradas como salida mientras está en funcionamiento el LCD, para así controlar la lectura y escritura a dicho dispositivo, mientras que las primeras tres líneas del puerto B son configuradas como entradas para leer el estado del DIP switch y las restantes 5 líneas son configuradas como salidas para activar la barra de diodos LED y controlar los datos enviados al LCD. En la figura 4.30 se aprecia el modulo SMC-1622 el cual tiene 16 pins descritos con mayor detalle en el Apéndice B. Las líneas de bus de datos son triestados y pasan a estado de alta impedancia cuando el LCD no está habilitado. La figura 4.31 ilustra la forma de conectar el LCD al puerto B del MCU mediante cuatro líneas y sin lectura del Busy Flag por lo que también se ahorra la línea R/W que se conecta a tierra. Por lo tanto se utiliza el mínimo de líneas posible (seis líneas) del MCU para el control del LCD.
Figura 4.30. LCD utilizado.
En el diagrama esquemático de la figura 4.31 y refiriéndose al DIP switch (DSW1) se aprecia que mientras cualquier interruptor del dispositivo este abierto, la entrada mantiene un tensión de 5V que corresponde a un nivel lógico “1”. Cuando cualquiera de éstos se cierra, la entrada pasa a valer 0V correspondiente al nivel lógico “0”. En la figura 4.31 se ha elegido una resistencia de 330Ω que limita la corriente a un valor de unos 10mA que proporciona una luminosidad suficiente para la aplicación.
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Figura 4.31. Diagrama esquemático.
4.4.1.3 Implementación del circuito detector, en la tableta para prototipos Se hicieron las conexiones en la tableta para prototipos a partir del diagrama esquemático de la figura 4.31, quedando como se muestra en la figura 4.32, procurando hacerlo lo más ordenado posible e identificando cada una de las etapas y conexiones del circuito, quedando de la siguiente manera identificado por el color del cable: • • • • • • • • •
Rojo, +5V. Naranja/Blanco, -5V. Azul, tierra. Oro, desacoplamiento. Blanco, puentes. Café, ajuste de contraste. Amarillo, señal del oscilador inductivo. Amarillo/verde, señal de reloj. Verde/Blanco, Reset. 66
• • •
Naranja, control y datos de LCD. Verde, conexión de DIP switch. Café/Blanco, diodos LED.
Figura 4.32. Circuito detector en tableta de prototipos.
4.4.2 Etapa de protección y desacoplo 4.4.2.1 Regulación de la alimentación La figura 4.33 describe un circuito de protección, el cual está regulando la entrada de voltaje a +5V y -5V a partir de tensiones continuas superiores a éstas y a una corriente de 1A. Este circuito se basa en el popular regulador de tensión 7805 y el 7905. Disponen de un diodo a la entrada del sistema para protegerlo en el caso que se aplicaran tensiones con la polaridad invertida. Los condensador a la entrada reducen considerablemente el rizado de la tensión de entrada que finalmente los reguladores 7805 y 7905 se encargan de estabilizar a +5V y -5V, alimentación de todo el sistema. El circuito de alimentación del MCU debe tratarse como el de cualquier otro dispositivo digital, debiendo conectarse un condensador de desacoplo de unos 100nF lo más cerca posible de los pines de alimentación.
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Figura 4.33. Circuito regulador de alimentación.
El consumo de corriente para el funcionamiento del MCU depende de la tensión de alimentación, de la frecuencia de trabajo y de las cargas que soporten sus salidas, siendo del orden de unos poco miliamperios.
4.4.2.2 Implementación de resonador Para mejorar la fuente de indicación de velocidad de trabajo, el llamado oscilador o reloj, se sustituyó el cristal de cuarzo, por un oscilador cerámico y posteriormente por un resonador cerámico para así no utilizar capacitores de 22pF.
Figura 4.34. Resonador cerámico de 4Mhz.
4.4.2.3 Bus triestado Es utilizado el integrado DM74LS244, el cual es un empaquetado de buffers intermediarios octales de línea, con salida de tres estados. Es empleado como conductores de dirección de memoria, transmisores orientado por bus, entre otros. Cuenta con receptores que proporciona mejoramiento en la densidad bordo. Cuenta con histéresis en 68
insumos para mejorar los márgenes de ruido, además de contar con diodos limitadores de alta velocidad. El tercer estado (Hi-Z) está siendo utilizado para borrar la influencia del LCD al resto del circuito. Si este está recibiendo datos por su bus de datos, se plantea poner una salida en Hi-Z para que en el mismo bus no hayan señales diferentes, es decir, una con valor 1 y otra con valor 0. Porque si ambas señales circularan por la misma línea, no podríamos determinar el valor que está circulando en la misma.
Figura 4.35. Circuito detector de bucle inductivo e interpretador de frecuencia.
4.4.3 Desarrollo de Software 4.4.3.1 Creación del proyecto Se creó una carpeta en el directorio raíz (c:), denominada “contador de frecuencia”, para cuidar que la extensión del path no sea muy larga, ya que posteriormente se pudieran generan problemas en el proceso de ensamble. El procesador a utilizar tiene que ser 69
escogido antes de incluir el fichero. Si el programador no hubiese escogido correctamente el procesador correspondiente a este fichero, se mandaría el mensaje que está entre comillas en el código. ; Verify Processor ; ;================================================================ ========== IFNDEF __16F84A MESSG "Processor-header file mismatch. Verify selected processor." ENDIF ;================================================================ ========== 4.4.3.1.1 Descripción del archivo de encabezado Para que la programación se facilite se les denomina W y F a los registros más utilizados, y así evitar escribir la dirección efectiva cada que se recurra a la utilización de dichos registros. En el fragmento inicial presentado en el Apéndice C se definen mnemónicamente los archivos de registro que son utilizados con más frecuencia, como lo son: el Timer 0, el contador de programa, el registro STATUS, los periféricos de entradas y salidas, entre muchos otros más. Los bits del registro STATUS son igualmente previamente definidos en este fichero ya que son utilizado para muchas de las operaciones aritméticas, y demás. De igual manera se definen
los bits de configuración, que son los utilizados en una de las directivas de cabecera para escoger el tipo de código de protección el tipo de oscilador a utilizar y demás configuraciones de hardware. Después de agregar el fichero anteriormente expuesto en la ventana Project, se procede a crear el archivo en el que se desarrollará el código principal, para después agregarlo en la opción Source Files en la misma ventana. Es importante recordar que se necesita configurar el MPLAB con el dispositivo a trabajar. Corroborado esto, entonces tenemos listo el cuerpo del proyecto para empezar a desarrollar el programa de interpretación de la frecuencia de salida del Oscilador inductivo. 70
4.4.3.2 Creación del programa contador de frecuencia Una vez creado el proyecto toca realizar el programa. Éste se encuentra en el Apéndice C en donde se muestra su desarrollo completo, redactado éste en lenguaje ensamblador apoyado del software de desarrollo el MPLAB IDE de Microchip, ensamblado con la herramienta MPASM y simulado con el MPLAB SIM (se detalla más de él en el punto 3.3.1), en el proceso de ensamblado es creado el fichero .HEX, que es el que en el proceso de grabado se cargará en el Software de grabación: IC-Prog. En la redacción del programa principal siempre ha de comenzar con una breve descripción de lo que va a realizarse y ha de incluir comentarios aclaratorios en aquellos lugares que lo precisen. Tras la descripción del programa y definición de autor, y demás aspectos respecto a la creación del software dedicado a controlar los diferentes periféricos e interpretar la frecuencia del Oscilador, se comienza el programa; éste comienza por incluir las librerías necesarias y definir el tipo de procesador y todo lo relacionado con la configuración del hardware (WDT OFF,….) y la declaración de registros que vayamos a utilizar, a esta sección se le denomina zona de datos. En este caso: no se le asigna protección de código al MCU, no se habilita el Watchdog, se habilita el reset mediante Power-up Timer, y se utiliza el oscilador por cristal de cuarzo. Con la directiva CBLOCK se define una lista de variables. A cada variable se le asigna una dirección inmediatamente superior que a la anterior variable. El propósito de esta directiva es asignar direcciones a muchas variables. La lista de variables finaliza cuando se encuentra la directiva ENDC, el valor en hexadecimal contiguo a la directiva CBLOCK, indica el valor de arranque para el primer bloque de variables, y en este caso arranca en 0x0C, que es donde empiezan los registros de propósito general (ver Apéndice B, datos del MCU). El origen del programa comienza en la dirección indicada, la dirección que se encuentra seguida de la directiva ORG. Si no hubiese ningún origen especificado, aun así, la generación del código comenzaría en la dirección cero. Con dicha directiva y con expresión cero, en el fragmento de código de la parte superior, se corrobora el comienzo de la generación de código en la dirección cero. Se comienza etiquetando con la palabra “Inicio”, esta parte del programa es la primera que se ejecuta y solamente es ejecutada cada que se energice el dispositivo. Es donde se inicializan diferentes parámetros y se configuran los registros utilizados. Primeramente se hace la llamada a la subrutina LCD_Inicializa (detallada en el Apéndice C, en el apartado de subrutina LCD), la cual empieza asignando una dirección a ciertas variables y definiendo el hardware expuesto en el punto 4.4.1.3.2 y las conexiones 71
visualizadas en la figura 4.30, las cuales corresponden a la definición de los puertos. En el bloque de variables se declaran las variables que se utilizarán para realizar las diferentes funciones requeridas. En dicho bloque de variables, se aprecia que no se asignó un valor enseguida de la directiva CBLOCK, ya que el primer bloque de variables ya recibió valor, (anteriormente expuesto, el cual comenzó en 0x0C), a la primer variable de este bloque de variables se le asignará una dirección superior al de la variable final del CBLOCK anterior. Se observa también que es utilizada la directiva EQU, la cual permite asignar el valor de .16 (diez y seis en decimal) al identificador LCD_CaracteresPor_Linea, donde se define los caracteres por línea del LCD. Éste es el proceso para definir una constante. El desarrollo y ejecución de la subrutina LCD_Inicializa comienza haciendo un cambio al banco 1 para configurar como salidas los bits de control, luego indica al LCD que se escribirá en él (en caso de que estuviera en uso), se pone a 0 la línea enable, y se activa el modo comando. Se produce un retardo llamando a la subrutina Retardo y ejecutando cierto fragmento de dicha subrutina. La subrutina Retardos contiene múltiples retardos, desde 4 microsegundos hasta 20 segundos, estos retardos son precisos, ya que es tomado a consideración el consumo que provocan las llamadas de subrutinas y demás ciclos de máquina. Se han calculado para un sistema MCU con un PIC trabajando con un cristal de cuarzo a 4MHz. Como cada ciclo máquina son 4 ciclos de reloj, resulta que cada ciclo máquina tarda 4 x 1/4MHz = 1 µs. Prosiguiendo en la explicación de la subrutina LCD_Inicializa, el dato que se carga en el registro W y los retardos que se utilizan, son los parámetros que el fabricante recomienda para un efectivo funcionamiento del dispositivo LCD, por lo tanto se carga el dato binario b’00110000’ y posteriormente se llama a la subrutina LCD_EscribeLCD, la cual contiene la subrutina, que envía el dato del registro de trabajo W al bus de dato y produce un pequeño pulso en el pin Enable del LCD. Para no alterar el contenido de las líneas de la parte baja del Puerto B que no son utilizadas para el LCD (pines RB3:RB0), primero se leen estas líneas y después se vuelve a enviar este dato sin cambiarlo. Aquí se aprecia el por qué se pueden conectar dispositivos en paralelo con el bus de datos del LCD. La configuración del TRISB es almacenada y solamente por un pequeño lapso es utilizado este nibble como bus de datos del LCD. Por lo tanto los diodos D2 a D5 emitirán un pulso cada que se mande llamar a esta subrutina de escritura en el LCD.
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Después de invocar el retorno de la subrutina LCD_EscribeLCD, la subrutina Inicializa_LCD termina de configurar los parámetros indicados por el fabricante, éstos mismos para el LCD LM-016, pero compatibles para diversos dispositivos similares, como es el caso comprobado con el LCD utilizado. De esta manera para terminar la inicialización del LCD se mandan llamar las diferentes subrutinas nombradas. El contenido de cada una de ellas se expresa en el Apéndice C. Las subrutinas anteriormente mencionadas hacían la llamada a la subrutina LCD_EnviaComando, la cual se encarga de activar el modo comando, enviando un 0 al Pin RS del LCD y después hace un brinco a la subrutina LCD_Envía. Finalmente es ejecutada esta subrutina, la cual manda el dato, primeramente el nibble alto y luego el nibble bajo, se hace la llamada nuevamente a LCD_EscribeLCD (expuesta anteriormente), se corrobora la perfecta escritura, se hace el respectivo retardo señalado por el fabricante, para posteriormente retornar a la subrutina Inicializa_LCD para que ésta retorne al programa fuente y termine con la inicialización del LCD. Prosiguiendo en la zona de código del programa fuente, después de que la ejecución termine con la subrutina LCD_Iniciliza. Se accede al banco 1 para configurar las primeras tres líneas del Puerto B como entradas y las últimas cinco líneas como salidas. Se configura el TMR0 como contador de flanco descendente por la línea RA4/TOCKI, con un preescalador de 0, ya que éste es asignado al WDT, el cual se encuentra sin función alguna. Ahora accede al banco 0 para trabajar en la interpretación de la frecuencia y manejo de los periféricos de entrada/salida. Mostrando el algoritmo implementado en los diferentes diagramas de flujo a continuación presentados:
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4.4.3.3 Desarrollo del flujo de la interpretación de la frecuencia
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4. 5 Diseño y construcción de PCB En electrónica, un PCB, es un medio para sostener mecánicamente y conectar eléctricamente componentes electrónicos, a través de rutas o pistas de material conductor, grabados en hojas de cobre laminadas sobre un sustrato no conductor. Los PCB son robustos, baratos, y habitualmente de una fiabilidad elevada. Requieren de un esfuerzo mayor para el posicionamiento y ruteo de los componentes, tienen un costo inicial más alto que otras alternativas de montaje, como el montaje punto a punto en tablillas perforadas (como se vio en el punto 4.3.5.3, y se aprecia en la figura 4.27), pero son mucho más baratos, rápidos y consistentes en producción en volúmenes. Siendo ésta una alternativa profesional y de una excelente presentación para la fabricación final de proyectos. 4.5.1 Material y equipo utilizado • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
Tablilla fotosensible Revelador líquido Agua Cloruro férrico Thinner industrial Recipiente de plástico Guantes Lentes Papel Vegetal Impresora laser Lámpara de rayos UV Vidrio Computadora con Proteus 7 Profesional Impresora virtual, PDF Creator Vernier Mini taladro con brocas milimétricas Cautín con base regulable Soldadura, flux y malla para desoldar Desarmadores y herramienta varia
4.5.2 Diseño de encapsulados Utilizando el desarrollador de PCBs, Ares de Proteus, se procedió a diseñar cada uno de los encapsulados de los diferentes componentes utilizados, los cuáles conforman el diagrama esquemático de la figura 4.34. Utilizando el vernier y teniendo en mano todos los 75
componentes elegidos para conformar el circuito detector e interpretador de frecuencia, se tomó medida de cada uno de ellos y se diseñó un empaquetado correspondiente para cada uno de los componentes. Empezando desde el diseño del pad, luego la separación entre cada uno de ellos, para finalizar con el resto de sus dimensiones por completo. Se corroboraron las medidas con las diferentes herramientas que ofrece el potente software de diseño de PCBs, para así reiterar que el encapsulado corresponde físicamente al empaquetado diseñado, evitando la molestia de rediseñar o tener que maniobrar en el PCB por que los componentes no corresponden dimensionalmente hablando. Las hojas de datos de los componentes fueron de gran ayuda para el diseño de éstos, pudiendo obtener su diseño tridimensional para ir considerando el espacio que ocupa cada uno de los componentes elegidos en la tablilla. Para esta etapa ya se tenía a consideración el tipo de conectores a utilizar para los diferentes dispositivos utilizados, así como el tamaño del gabinete a utilizar quedando de la siguiente manera el posicionamiento de los componentes en la tablilla tal cual se aprecia en la siguiente figura:
Figura 4.36. Posicionamiento de componentes en la tablilla.
4.5.3 Generación de netlist y ruteo En base a la experiencia recabada en la realización de PCBs, no se opta por utilizar la función de autogeneración de netlist, auto ruteo y auto posicionamiento. Ya que a fin de cuentas siempre se terminaba haciendo un trabajo más laborioso, ya que dichas herramientas generan todo en el mismo lapso de tiempo. La tablilla detectora de bucle inductivo e interpretadora de frecuencia es dividida en etapas, siendo los conectores de entradas y salidas los que muestran donde se encuentra cada una de ellas. Para separar el circuito en etapas, se determinó componente a componente, obteniéndose éstos de la librería previamente generada y escogiendo el encapsulado correspondiente para cada componente, esto, en base al diagrama esquemático 76
de la figura 4.34 el cual previamente ya fue compilado, simulado en el MPLAB y simulado nuevamente en Proteus, así que se consideró que estaba perfectamente en funcionamiento. Se generó un netlist correspondiente para cada terminal de cada componente. Después de agregar los componentes de la etapa se procedía a rutear con la confianza de que el netlist se generó para que no existieran errores al generar las rutas, y si así fuese, el programa señalaría la falla cometida. Se definió el ancho de la ruta previniendo que no fuera muy delgada, para que en la etapa de corrosión con cloruro férrico, la ruta no se disgregue, perdiendo así la conectividad y la congruencia con los circuitos anteriormente diseñados. Se establecieron las estrategias de ruteo, definiendo la mínima distancia entre las rutas y demás aspectos para impedir errores. Corroborando esto, y finalizando el arduo trabajo para la generación de las pistas apoyado de puentes para la continuidad de aquellas rutas que no tenían un traslado más que vía puente. Se procedió a etiquetar la tablilla con autor y fecha de creación e institución a la que se pertenece, se marcaron los orificios para sostener la tablilla y se finalizó imprimiendo en una impresora virtual a formato pdf (PDF Creator).
Figura 4.37. Layout de tablilla
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4.5.4 Impresión e insolación A partir de los diferentes layouts generados (expuestos en el Apéndice D) de la creación de las diferentes rutas que interconectan los componentes del circuito detector de bucle inductivo e interpretador de la frecuencia. Se escogió el Layout con mirror sin los layouts de topsilk y demás layouts que interfieren en la perfecta conexión de los componentes, para imprimirlo en papel vegetal y proceder a recortarlo a la medida de la tablilla de igual manera cortada con segueta a la medida requerida, para colocar el diseño en la parte fotosensible de la tablilla e insertarla en la lámpara de rayos UV, se procedió a dejarla 10 minutos para impactar el negativo y posteriormente sacar la tablilla de la lámpara para proceder al revelado.
Figura 4.38. Proceso de insolación.
4.5.5 Revelado Mientras la tablilla se encontraba en la etapa de insolación se preparó una solución para revelar la tablilla y marcar en la región con cobre el circuito diseñado previamente. Las tapas mencionadas son las tapas del recipiente del revelador liquido, preparando así la solución con siete tapas de agua y una tapa de él revelador liquido. Al sacar la tablilla de la lámpara de rayos UV se pone ésta en el recipiente con la solución, removiendo constantemente el recipiente y observando cómo es que la solución revela el circuito diseñado, dejando marcado el mencionado circuito con un color verde y desvaneciendo los campos que no se presentan con obstrucción a los rayos UV de la lámpara. Al apreciar que se ha marcado perfectamente el circuito se procede a limpiar completamente la tablilla con agua para liberarla de las impurezas de la solución creada. El proceso se muestra en las siguientes imágenes:
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Figura 4.39. Revelado de tablilla fotosensible.
4.5.6 Atacado y perforación Después dejar plasmado en la cara de cobre el diseño previamente realizado, se procede a preparar la solución para atacar el cobre restante de la tablilla y dejar únicamente el deseado. Para esto se utilizó cloruro férrico disolviendo ocho tapas de él y cuatro tapas de agua, se calentó la solución en un horno de microondas durante veinte segundos y se introdujo la tablilla en la solución preparada, se estaba moviendo repetidamente el recipiente logrando un barrido para que la solución vaya tumbando homogéneamente la merma de cobre. Se procedió a marcar los pad que no quedaron perfectamente al descubierto para después limpiar la tablilla con thinner y luego perforar los orificios donde se insertarían los componentes a utilizar.
Figura 4.40. Perforación de orificios en tablilla.
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4.5.7 Ensamble y soldado de componentes Después de lo realizado con la ayuda del mini taladro y con las diferentes brocas milimétricas, se insertaron los componentes, empezando por las bases de pin suelto de los diferentes circuitos integrados, para poder lograr así un ensamble y desensamble ágil. Se soldaron todos los diferentes componentes utilizando el cautín y soldadura cuidando dejar fuera soldadura fría y demás aspectos que impedirían el perfecto contacto de las terminales. Observándose en el capítulo 5 en la figura 5.19 como quedó finalmente el PCB. 4.5.8. Construcción de gabinete Después de haber limpiado la tablilla finalizada (a base de thinner y cepillo), para eliminar falsos contactos y excesos de flux, se corrobora con lupa la conexión de las diferentes rutas para exentar la existencia de porosidad en las pistas. De igual manera se corroboran éstas con el modo continuidad del multímetro. Se alimentó la tablilla finalizada para corroborar su funcionamiento. Se procedió a realizar los diferentes orificios al gabinete para proyectos, para dejar fija la tablilla con unos soportes de PCB, para así montar y desmontar la tablilla con gran facilidad antes de haber desconectado todos los conectores tipo molex de 100”. Se agujero el espacio que utilizaría tanto el LCD, la barra de LEDs, el interruptor OK/Config, los agujeros por donde pasara el cable de alimentación y el agujero por donde pasaran los cables del bucle inductivo. Se consiguió toda la tornillería requerida para dejar fijos los diferentes dispositivos, quedando de la manera expuesta en la figura 4.43, el Dispositivo digital detector de bucle inductivo e interpretador de frecuencia queda terminado para ser sometido a las diferentes pruebas para evaluar su funcionamiento.
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CAPÍTULO 5 RESULTADOS
En el siguiente capítulo se darán a conocer todos los resultados de las pruebas e implementaciones realizadas con las diferentes etapas del sistema digital detector de vehículos. Se mostraran diferentes tablas que nos muestran el comportamiento del bucle inductivo junto con el oscilador inductivo, así como diferentes fotografías que muestran el estado de la prueba y los resultados visualmente apreciados. Siendo estos resultados los que nos dirigieron por el camino correcto en base a resultados existían las modificaciones respectivas; como fue el caso del bucle inductivo que a pesar de arrojar buenas mediciones con el diseñado y construido a inicios del capítulo 4, se opta por rediseñar y redimensionar el bucle inductivo, ya que siendo esté la parte sensorial del sistema, para así poder tener una mejor respuesta a la detección. De igual manera se verán las diferentes respuestas de los distintos osciladores inductivos sometidos a prueba, dejando dicho cuál de ellos satisfizo los requerimientos del sistema, y siendo expuestas las diferentes razones en el capítulo dedicado a conclusiones. 5.1 Pruebas con bucle inductivo Se hicieron pruebas en campo utilizando el bucle inductivo de prueba. Se midió una inductancia de 124.3µH sin vehículo sobre el bucle inductivo y se comprobó la variación de la inductancia al posarse diferentes modelos de vehículos en el bucle inductivo tomando como resultados las siguientes mediciones con el LCR:
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Tabla 5.1. Variación en la inductancia del bucle.
Inductancia Modelo de Vehículo 121.2 µH Pointer 117.9 µH Sentra 115.1 µH Sebring 121.5 µH Aries 121.0 µH Explorer 113.2 µH Mitsubishi 110.9 µH Century 117.0 µH Malibu 112.2 µH Focus 114.3 µH Mustang 121.7 µH Pathfinder 121.5 µH Beretta 117.8 µH Jetta
Figura 5.1. Prueba en campo con bucle inductivo
Con estas mediciones se comprobó la variación de la inductancia del bucle inductivo al estar presente un vehículo sobre éste. Obteniendo una media aritmética de 117.33 µH. 5.2 Pruebas con oscilador Colpitts basado en BJT 5.2.1 Implementación virtual del oscilador Colpitts basado en BJT A partir del diagrama esquemático presentado en la figura 4.18 del capítulo anterior, se aprecia que en el arranque inicial del oscilador Colpitts aparece ruido en el colector de Q1 y suministra energía al circuito tanque, haciendo que empiece a oscilar. C4 y C5 constituyen un divisor de voltaje en CA. El voltaje que se deja caer a través de C5 se retroalimenta a la base de Q1 hasta C2. Hay un cambio de fase de 180° de la base al colector de Q1 y un cambio de fase adicional de 180° a través de C4. En consecuencia, el cambio total de fase es de 360° y la señal de retroalimentación es regenerativa. La relación de C4 a C4+C5 determina la amplitud de la señal de retroalimentación. La frecuencia de salida (fo) del oscilador se aproximó en el punto 4.2.1, ahora aquí se expresa la misma fo obtenida mediante la simulación virtual del circuito, utilizando ISIS de PROTEUS visualizando en la pantalla del osciloscopio virtual una onda senoidal un 82
poco achatada en sus crestas, pero sin apreciarse múltiples variaciones en su período, el cual fue de 11.7µs por lo tanto aplicando la fórmula 3.13 expuesta en el punto 3.2.1.1 se obtiene una fo virtual de 85.47Hhz y una amplitud de 3.5 Vpp:
Figura 5.2 Visualización de la frecuencia de salida virtual.
5.2.2 Implementación en tablilla perforada del oscilador Colpitts basado en BJT Al terminar la construcción del oscilador Colpitts basado en BJT en tablilla perforada, se procedió a conectar la alimentación con la fuente de voltaje, se conectaron los cables del bucle inductivo de prueba, y se conectaron las puntas del osciloscopio para monitorear la frecuencia de salida y amplitud, obteniéndose una visualización como lo muestra la siguiente figura:
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Figura 5.3. Frecuencia de salida del oscilador basado en BJT.
Teniendo así una fo práctica de 91Khz, pero con muchas variaciones. Al generar pequeños cambios en la temperatura externa del transistor, estos cambios ocasionaban una degeneración en la onda vista en el osciloscopio, por lo que se concluyó que este circuito en base a BJT es inestable por si propio, sin ser expuesto a temperaturas a la intemperie.
Figura 5.4. Prueba con Oscilador basado en BJT.
Se comprendió que los osciladores LC pueden ser operados a frecuencias más grandes que las que manejan los osciladores RC. Los osciladores LC son más adecuados para poder ser implementados con BJTs, OPAMs, FETs, entre otros. Ya que para controlar la frecuencia de salida de este oscilador se presenta un grado de complejidad más elevado, por que dicha frecuencia depende de las resonancias emitidas por el circuito tanque del oscilador. 84
5.3 Pruebas con oscilador Colpitts basado en OPAM Implementando el circuito construido en el capítulo 4 (en el punto 4.2.4.2) con el bucle inductivo de prueba previamente diseñado y posteriormente construido, y realizándole las pruebas pertinentes para evaluar su funcionamiento y fiabilidad de comportamiento como parte importante del sistema. Se presentaron los siguientes resultados en los diferentes ambientes de trabajo expuestos. 5.3.1 Prueba de laboratorio con oscilador El circuito en su totalidad tuvo un consumo de corriente en las fuentes de suministro de voltaje de 11mA en la positiva y 12mA en la negativa, resultando así un consumo de potencia nada elevado considerando que se alimentan de +5V y -5V, y se tiene conectado el bucle inductivo de prueba.
Figura 5.5. Consumo de corriente en las fuentes de suministro de voltaje.
Por otro lado en el osciloscopio digital de Hewlett Packard se obtuvieron las siguientes mediciones en la frecuencia y amplitud de la señal: 92.59KHz variando de 94.97KHz como máximo y 92.25KHz como mínimo con un periodo de 10.73µs y un voltaje de pico a pico de 3.5V. Se percibe visualmente el ruido en los valles de la onda senoidal presentada en la figura 5.6, pero éste no tiene mucha relevancia ya que posteriormente se requerirá rectificar dicha parte de la señal. Cuando se presenta la máxima frecuencia, es cuando se crea una alteración a la temperatura, aumentándola, dichas alteraciones son provocadas únicamente al oscilador inductivo y directamente dirigidas al TL084.
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Figura 5.6. Frecuencia de salida del oscilador basado en OPAM.
5.3.2 Prueba a intemperie con oscilador En la sección 5.1 se comprobó la variación de la inductancia del bucle inductivo y en las pruebas de laboratorio anteriormente expuestas (punto 5.3.1) se observa la frecuencia de salida del oscilador inductivo basado en OPAM, en dicha prueba no se apreciaron tantas variaciones tomando en cuenta que se encuentra conectado el bucle inductivo de prueba, ahora se expresan los resultados obtenidos cuando el bucle inductivo de prueba, conectado al oscilador inductivo basado en OPAM, es sometido a la presencia de diferentes vehículos, por lo que se verán expuestos los resultados en base a la frecuencia de salida. El sistema comienza a ser sometido a prueba a la 1:15 p.m. con una temperatura ambiente de 12°C, el bucle inductivo de prueba esta posicionado verticalmente respecto al paso de los vehículos. La primera medición se realizó sin haberse posado ningún vehículo ante el bucle inductivo de prueba, y resultó dar una frecuencia de salida de 89.29Khz con una amplitud de 3.75Vpp. Se procedió a realizar las siguientes mediciones expuestas en la tabla 5.2:
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Tabla 5.2. Frecuencia del oscilador en la primera prueba a intemperie.
Frecuencia de salida Periodo
Vehículo
1 90.91Khz
10.90 µs Corolla
2 92.38Khz
10.80 µs Montecarlo
3 91.74Khz
10.90 µs Nissan
4 90.70Khz
10.90 µs S-10
5 96.39Khz
10.40 µs Accord
6 97.56Khz
10.08 µs Cambridge
7 97.56Khz
10.43 µs Passport
8 95.00Khz
10.43 µs Blazer
9 99.34Khz
10.60 µs Blazer
Respecto a la tabla 5.2, las primeras cuatro mediciones se consideran erróneas, ya que apenas se sincronizaba la manera de llevar a cabo las anotaciones de las mediciones obtenidas por el osciloscopio al circular vehículos, cuando estos primeros vehículos pasaron, lo hicieron de manera incorrecta, ya que agarraban de lado o pasaban desapercibido al bucle inductivo. Pero aún así se percibe un leve cambio en la frecuencia del oscilador respecto a la frecuencia inicial, pero más notorio el cambio en las restantes cinco mediciones, en donde los vehículos posaron perfectamente ante el bucle inductivo. Estas mediciones fueron interrumpidas por el vaivén de los vehículos que al querer entrar y salir, las llantas de uno de los vehículos se amarro con la madera tipo triplay, aventándola, dañando el sistema, se concluyo parcialmente a la 1:23 p.m.
Figura 5.8. Equipo útil para la prueba.
Figura 5.7. Vehículo ante el bucle inductivo.
Figura 5.8. Equipo útil para la prueba. 87
Tabla 5.3 Frecuencia del oscilador en la segunda prueba a intemperie.
Frecuencia de salida Periodo
Vehículo
10 83.68Khz
12.02 µs Ranger
11 90.50Khz
11.02 µs Jetta
12 90.50Khz
11.00 µs Sable
13 87.91Khz
11.42 µs Derby
14 89.49Khz
11.12 µs Optra
15 90.29Khz
11.05 µs Jetta
16 89.29Khz
11.12 µs Altima
17 87.13Khz
11.15 µs Malibu
18 90.50Khz
11.02 µs Accord
19 90.71Khz
11.02 µs Villager
20 92.38Khz
10.72 µs Stratus
21 93.90Khz
10.60 µs 300M
22 92.38Khz
10.72 µs Odyssey
23 90.02Khz
11.12 µs Micra
24 88.69Khz
11.27 µs Tracker
25 90.91Khz
11.00 µs Jetta
26 92.39Khz
10.85 µs Scape
88
27
91.12Khz
10.95 µs
Passport
28
90.91Khz
11.02 µs
Jetta
La tabla 5.3 expresa las mediciones obtenidas después de haber reanudado a las 3:28 p.m., utilizando el LCR se visualizó una lectura de 123.10µH siendo esta lectura la de la bobina del bucle inductivo de prueba, y apreciándose una frecuencia 85.47Khz, captada con el osciloscopio, considerando que ningún vehículo posaba ante el bucle inductivo. Las mediciones 10, 13,16, 17,23 y 24 son mediciones que se hicieron a partir de que los vehículos no se plantaron de manera correcta en el bucle inductivo de prueba, ya que solamente una pequeña parte del vehículo estaba sobre el bucle, es por eso que se produjo una frecuencia menor a comparación de las demás. En las mediciones anteriormente señaladas como incorrectas, no se alcanzó a detectar la materia ferrosa por completo de dichos vehículos, pero si se alcanza a percibir una variación importante con respecto a la frecuencia inicial obtenida. Tabla 5.4 Frecuencia del oscilador en la tercer prueba a intemperie.
Frecuencia de salida Periodo
Vehículo
29 88.11Khz
11.30 µs Chevy troca
30 92.38Khz
10.68 µs Scort
31 93.24Khz
10.70 µs Rodeo
32 95.97Khz
10.36 µs Stratus
33 95.79Khz
10.36 µs RAM 2500
34 95.15Khz
10.47 µs Moldeo
35 94.43Khz
10.60 µs Matiz G2
Las mediciones expuestas en la tabla 5.4 se realizaron a partir de posicionar el bucle inductivo de prueba de manera horizontal con respecto al tránsito de los vehículos.
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Dicha prueba concluyó a las 3:43 p.m., ya que se estaba obstaculizando la ágil entrada de los usuarios al estacionamiento (en dicho momento se aprecia como los guardias de seguridad entregan un boleto de ingreso a los usuarios), se terminó la prueba detectando una frecuencia de salida sin vehículo de 86.84Khz. 5.3.2.1 Prueba con bucle inductivo en pavimento Cabe recalcar y recordar que todas las mediciones anteriores fueron realizadas con el bucle inductivo de prueba, y es por eso que existió un gran desfase en las mediciones obtenidas. El bucle inductivo de prueba aunado a la tabla tipo triplay era desplazado por los vehículos al cruzar sobre él, por lo tanto la posición de cada vehículo al cruzar el bucle inductivo era variable, por ende se obtuvieron mediciones un poco incongruentes. Tomando a consideración que el bucle inductivo de prueba está sometido directamente a los cambios de la temperatura y desgaste que causa la inercia de las llantas del vehículo al arrancar después de haberse parado completamente sobre éste, creando cierta separación entre las espiras que conforman el embobinado y deteriorando las dimensiones del bucle inductivo de prueba. El proyecto piloto mencionado en la sección 2.1 implementa la utilización de un bucle inductivo y una barrera vehicular, situado esto en la zona de acceso a docentes y administrativos del IIT/IADA, en donde el bucle inductivo adherido en el pavimento corresponde al mismo diseño que el bucle inductivo de prueba utilizado en las pruebas anteriores, por lo tanto corresponden de igual manera las dimensiones geométricas y las características eléctricas. Se realizaron las mediciones y pruebas pertinentes instalando el oscilador inductivo en base a OPAM conectando los cables de retorno del bucle inductivo adherido en el pavimento. \
Figura 5.10. Bucle inductivo en pavimento.
Figura 5.9. Barrera vehicular instalada.
Figura 5.10. Bucle inductivo en pavimento. 90
Dichas pruebas se empezaron a realizar a las 8:12 p.m., se utilizó el LCR para medir la inductancia de la bobina incrustada en el pavimento y se obtuvieron 125.4µH, se realizó la primera medición sin vehículo sobre el bucle inductivo del pavimento, se obtuvo una frecuencia de salida de 96.90Khz. A partir de las primeras mediciones se tomaron los siguientes datos: Tabla 5.5. Frecuencia de salida en intemperie con bucle en pavimento.
Frecuencia de salida
Periodo
1
100.80Khz
9.98 µs
2
99.21Khz
3
Vehículo
Frecuencia de salida
Periodo
Vehículo
Golf
16 100.40Khz
10.15 µs
Spectra
17 100.30Khz
97.75Khz
10.20 µs
Eco Sport
18 102.80Khz
9.73 µs Stratus
4
99.70Khz
10.02 µs
Optra
19 100.10Khz
9.97 µs X Trail
5
100.60Khz
9.94 µs
Altima
20
6
99.01Khz
10.12 µs
Suburban
21 100.60Khz
7
99.10Khz
10.10 µs
Lobo
22
8
102.00Khz
9.82 µs
Focus
23 100.70Khz
9.97 µs Capri
9
102.40Khz
9.76 µs
Century
24 103.00Khz
9.70 µs Sentra
10 102.60Khz
9.74 µs
Marquis
25 100.10Khz
9.99 µs Expedition
99.80Khz
10.05 µs
Cherokee
26
97.85Khz
10.20 µs Ranger
12 103.00Khz
9.73 µs
Sentra
27
98.72Khz
10.13 µs F-150
13 103.00Khz
9.72 µs
Lincoln
28
98.73Khz
10.08 µs Silverado
14 103.00Khz
9.68 µs
Stratus
29 101.00Khz
Explorer
30
11
15
99.70Khz
10.01 µs
98.62Khz
99.30Khz
98.23Khz
9.98 µs Blazer 10.00 µs Toyota T100
10.10 µs Dodge 9.91 µs Avenger 10.11 µs Explorer
9.88 µs Accord 10.17 µs Cherokee
91
Se anotaron tres mediciones de la frecuencia de salida del oscilador, dichas medidas hechas sin la presencia de vehículo ante el bucle inductivo en el pavimento, (una de ellas ya expuesta, la cual se realizó al comenzar las mediciones) se registró la hora con respecto a la frecuencia obtenida en dicho momento: 95.88Khz a las 8:36 p.m. y 96.71Khz a las 8:48 p.m. Pudiéndose observar cuando se considera que hay detección, obteniendo los datos expuestos en la tabla 5.5 y a partir de estos se obtiene una media aritmética de 100.40Khz. Considerándose detección a partir de presentarse cambios de 850hz respecto a la medida inicial tomada. Observando la variedad de la medidas obtenidas, se tiene a consideración un interruptor que pueda controlar las diferentes configuraciones posibles. 5.4 Elección del oscilador inductivo a utilizar La estabilidad de frecuencia se da generalmente como un porcentaje de cambio en frecuencia (tolerancia) del valor deseado. Por ejemplo, un oscilador operando a 100Khz con una estabilidad de ±5% operará a una frecuencia de 100Khz + 5Khz o entre 95 y 105Khz. Las estaciones comerciales de radiodifusión en FM deben mantener sus frecuencias portadoras dentro de +2Khz de su frecuencia asignada, que es aproximadamente una tolerancia de 0.002%. En la radiodifusión comercial en AM, el cambio máximo permisible en la frecuencia portadora es sólo de + 20Hz. Varios factores afectan la estabilidad de un oscilador. Los más obvios son aquellos que afectan directamente el valor de los componentes para determinar la frecuencia. Estos incluyen cambios en valores de la inductancia, capacitancia y resistencia debido a variaciones ambientales en temperatura, humedad y los cambios en el punto de operación, haciendo referencia a los transistores así como los transistores con efecto de campo. Se presentó una mayor estabilidad en el sistema en total, cuando el bucle inductivo se encuentra incrustado en el pavimento e implementando el oscilador inductivo en base a OPAM. 5.5 Pruebas de Oscilador con señal cuadrada Al simular el circuito esquemático de la figura 4.26 se obtuvieron las señales expuestas en la figura 5.11, donde se aprecia la conversión de onda y la sincronización de la frecuencia, con su pequeño desfase.
92
Figura 5.11. Simulación de la comparación de ondas.
Se hicieron pruebas en laboratorio utilizando el bucle inductivo de prueba, se apreció un comportamiento similar, con respecto a la simulación, obteniendo las señales expuestas en la siguiente figura:
Figura 5.12. Visualización de las diferentes formas de onda del Oscilador.
A partir de aplicar la rectificación expuesta en el punto 4.3.6, se le pueden aplicar directamente los impulsos provenientes del Oscilador inductivo al MCU, ya que dicha etapa de rectificación tiende a “eliminar” la parte negativa de la señal, o más bien; rectifica a 0.7V. Siendo este un valor permisible dentro del diseño del MCU, para voltaje reversible.
93
Figura 5.13. Visualización de la rectificación.
5.6 Pruebas de periféricos y dispositivos de Hardware En las figuras presentadas a continuación se aprecia el consumo de corriente del circuito en su totalidad y se aprecia el comportamiento de uno de los diferentes dispositivos periféricos, al cargarle al MCU un programa de prueba de hardware. Con esto se comprueban las conexiones de algunos dispositivos, se redefinen diferentes conexiones y se toman en cuenta posibles mejoras e implementaciones como lo es expresado en el punto 4.4.2.2.
Figura 5.15. Prueba con LCD.
Figura 5.14. Monitoreo de alimentación.
Figura 5.15. Prueba de LCD.
Todos los dispositivos funcionaron perfectamente a excepción de la barra de LEDs que se aprecia un parpadeo cada que el bus de datos del LCD envía datos.
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Se opta por dejar una resistencia fija de luminosidad para el LCD, quitando el potenciómetro de ajuste de luminosidad. Son reacomodadas las líneas de la barra de LEDs que se conectaban al MCU, ya que se establece la línea RA1 como salida indicadora de presencia de vehículo. Recorriendo y reasignando las diferentes líneas de entrada/salida con las que cuenta el MCU. 5.7 Prueba al circuito detector de bucle inductivo e interpretador de frecuencia Al aplicar el buffer triestado expuesto en el punto 4.4.2.3, se evita el parpadeo en la barra de LEDs ocasionado en la prueba de hardware, por lo tanto la línea RA3 se destina como encargada de permitir la escritura en la barra de LEDs indicadores de presencia. Tal cual se aprecia en el diagrama esquemático del circuito detector de la figura 4.34 y en la fotografía de la tableta de prototipos presentada a continuación, donde los cables color azul/blanco indican conexiones de la implementación del bus triestado.
Figura 5.16. Circuito detector de bucle inductivo e interpretador de frecuencia.
5.7.1. Implementación de circuito detector en gabinete Esta sección describe los resultados obtenidos después de haber aplicado la metodología de diseño y construcción del PCB en la sección 4.5. Se menciono que el recipiente de plástico era agitado para llevar a cabo el barrido del cobre sobrante, así fue
95
hasta obtener los resultados como se aprecian en la figura 5.18, al terminar este proceso se procede a enjuagar la tablilla con abundante agua para detener la reacción.
Figura 5.17. Resultado del atacado con cloruro férrico.
Después de haber soldado e insertado los componentes y limpiado la tablilla se fotografió el PCB quedando tal cual lo expresan las siguientes figuras:
Figura 5.18. Ensamble y soldado de componentes. Se construyo el gabinete el cual satisfacía las necesidades de espacio y de hardware quedando de la siguiente manera:
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Figura 5.19. Gabinete finalizado.
5.7.2 Interpretación de las posibles configuraciones con el DIP Switch El DIP Switch definido en la figura 4.34 como DSW1, tiene como función determinar las configuraciones existentes para el funcionamiento del sistema, se determinaron cuatro posibles configuraciones, referentes estas a los diferentes rangos de materia ferrosa de cada tipo de vehículo, dichas configuraciones son las siguientes: • “Configuración 1”: esta configuración es la correspondiente por defecto, es cuando los primeros dos interruptores se encuentran arriba. Y detectara a los vehículos de uso común desde un compacto Atoz hasta una Expedition, pudiendo darle paso a una motocicleta con masa considerable encendiendo tres LEDs. • “Configuración 2”: denominada para la detección de vehículos pequeños, se utiliza un preescalador el cual crea un rango de resultados mayor para poder asimilar esos pequeños cambios presentados en la inductancia del bucle inductivo. • “Configuración 3”: vehículos con suspensiones realmente elevadas son los vehículos que tenían una entre baja y media detección. Esta configuración es la especializada para la detección de este tipo de vehículos, pudiendo entrar estos vehículos en el rango permisible de aceptación en configuración 1, dando un posible resultado a lo que se le denomina “Detección pasa”, (tres LEDs se encienden), lo que se recomienda si es que es inusual este tipo de vehículos. • “Configuración
4”: Configuración dedicada para detectar y determinar eléctricamente la ausencia y/o presencia de vehículos verdaderamente densos como es el caso de camiones de carga, autobuses, entre otros. Aunque para este tipo de situaciones se recomienda un rediseño del bucle inductivo en el suelo, dimensionalmente hablando. 97
5.7.3 Interpretación de las posibles respuestas en la barra de LEDs La barra de LEDs es una barra diseñada horizontalmente la cual enciende de izquierda a derecha, es formada por diodos emisores de luz manejados comúnmente en el mercado. Los utilizados son color rojo ultra brillante, estos están situados independientes a la tablilla, los cuales van adheridos en la tapa del gabinete interconectados con un arnés de cable plano hacia la tablilla. El comportamiento de la barra de LEDs tiene un comportamiento lógico para el personal que instala el dispositivo ya que a partir de su buen funcionamiento e instalación vera como la respuesta será reflejada al paso de los vehículos. Siendo lo siguiente una interpretación del encendido de los LEDs que conforman la barra del gabinete:
• Ningún LED encendido: El sistema no detecta ninguna materia ferrosa. • Un LED encendido: El sistema detecta interferencia. Si constantemente al intentar pasar los vehículos se presenta este resultado, puede que el sistema haya sido arrancado por primera vez, pudiendo que esté este en una configuración inadecuada. Siendo la configuración más probable la configuración 4, debido al estudio que se hizo en las tablas respecto al tipo de vehículos que ingresaban al estacionamiento de docentes pudiendo estar equivocadamente por configuración de quien maniobre el dispositivo en configuración para vehículos densos. • Dos LEDs encendidos: Se considera una mala detección. Se afirma que se presenta una masa ferrosa considerable, pero no lo completamente considerable para levantar la pluma que impide el acceso al estacionamiento. • Tres LEDs encendidos: Se denomina “Detección pasa”, es el menor posible resultado para que sea considerado el ingreso o egreso de un vehículo al estacionamiento. No siendo esta la más viable para que constantemente se le permita el ingreso a los vehículos al estacionamiento. Pero pudiendo ser un indicio que se encuentra en una configuración no tan idónea para el tipo de detección, se recomiendo utilizar la adyacente inferior. • Cuatro LEDs encendidos: Desde aquí es el rango permisible dentro de los rangos normales para el ingreso de vehículos a un estacionamiento, denominándose así “Detección buena”, ya que es la respuesta ideal, pero es por eso que existen los demás tipos de configuraciones, para determinar cuando se le permitirá la entrada a vehículos de masas ferrosas menos considerables como es el caso de bicicletas o sillas de ruedas (que se puede presentar el caso), siendo lo más recurrente que esté tipo de vehículos en la configuración Default rechace pudiendo encender uno o dos LEDs sin haber elevado la pluma que impide el ingreso al estacionamiento. Esta respuesta es el pivote utilizado para ajustar la configuración adecuada con el DIP Switch DSW1, respecto a la masa ferrosa presentada en el bucle inductivo. 98
• Cinco LEDs encendidos: Se denomina “Detección excelente”, o más bien exagerada, según la recurrencia que se le vea como respuesta. 5.7.4 Función de interruptor OK/Config Este interruptor tiene la función de asegurar que el dispositivo arranque sin vehículo sobre el bucle inductivo, ya que al inicio del sistema aparece una leyenda la cual dice: “CONFIGURANDO corroborar que no haya auto ¶ Press OK/Config”, al presionar el interruptor se genera en programa una frecuencia inicial la cual es la que sirve de referencia para determinar cambios en el bucle inductivo. La segunda función que tiene el interruptor OK/Config, es generar una interrupción al MCU cuando procesa, para que éste desasista lo que ejecuta guardando en pila el contador de programa, para proceder a la configuración, esto es volver a arrancar desde el inicio generar otra frecuencia inicial y compararla con la frecuencia inicial anteriormente guardada, y si estas difieren en la tolerancia (ver apéndice C, subrutina de configuración) reasignar la frecuencia inicial.
99
CAPITULO 6 CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS DE FUTURO
6.1 Conclusiones Se concluye este proyecto ofrecido a la Institución a la que se pertenece, para hacer uso y valerse de él, como base para fines de utilización determinísticos de ausencia y/o presencia de vehículos ante un estacionamiento. Dándonos una respuesta eléctrica a dicha interrogante: ¿Ausencia o presencia?, representada dicha respuesta eléctricamente en 6 factores posibles dependiendo de los LEDs encendidos en la barra que se encuentra en la parte superior del gabinete del circuito detector de bucle inductivo e interpretador de la frecuencia. La estabilidad de frecuencia es la habilidad de un oscilador para permanecer a una frecuencia fija y es de máxima importancia en los sistemas de comunicación. La estabilidad de frecuencia a menudo se considera de corto o largo plazo. La estabilidad de corto plazo se ve afectada principalmente por las fluctuaciones en los voltajes de operación de CC, mientras que la estabilidad a largo plazo es una función de la edad de los componentes y los cambios de temperatura así como la humedad del ambiente. En los osciladores de circuito tanque LC discutidos anteriormente, la estabilidad de frecuencia es inadecuada para la mayoría de las aplicaciones utilizadas en radio comunicaciones. Los factores Q de los circuitos tanque LC son relativamente bajos, permitiendo que el circuito tanque resonante oscile sobre una amplia gama de frecuencias. Aun así se garantiza que el sistema es viable para la aplicación en curso. También afectan a la estabilidad aquellos voltajes de lazo en CA en las fuentes de poder de CC. La estabilidad de frecuencia en los osciladores RC o LC puede mejorarse enormemente regulando la fuente de poder en CC y minimizando las variaciones ambientales. También pueden utilizarse componentes especiales independientes de la temperatura. Es por ello que se implementa los dispositivos reguladores de voltaje, los diferentes disipadores para los componentes, el tipo de base de pin utilizado para los integrados y el espacio que se le da a la tablilla para que ventile libremente el aire. En la realización de este proyecto se corroboro que la aleación de un Hardware adecuado a los requerimientos es fácil de amoldarse a un Software de control, el cual previamente es definido su algoritmo, sin importar el lenguaje de programación que se llegara a utilizar para la resolución del mismo. Dejando marcado en mí que la organización, 100
planeación, el ser responsable y entusiasta a la hora de hacer las cosas, es el mejor camino para lograrlo terminarlas. Cubriendo hasta aquí lo propuesto en el protocolo de titulación. Dejando claro que el desarrollo fue mediante los conocimientos adquiridos dentro y fuera de las aulas formativas de la UACJ, pero siempre sintiendo el apoyo y guía de los docentes que la conforman. 6.2 Perspectivas de futuro Los resultados obtenidos en este proyecto son de interés de evaluación para determinar la ausencia o presencia de vehículos ante un estacionamiento. En el transcurso de este estudio se han identificado nuevas líneas de investigación que se podrían emprender para mejorar y ampliar el trabajo realizado: 1) Mejora en la estabilidad del oscilador inductivo: a esto aunado; mejorar la estabilidad del circuito tanque LC, ya que se investigo sobre el alto índice de coeficiente de temperatura que se le asigna a los capacitores cerámicos, pudiéndose sustituir por capacitores NP0 cuyo coeficiente de temperatura es prácticamente cero. Y referente al oscilador, este se puede modificar convirtiéndose en Oscilador Clapp el cual permite inductancias más elevadas que elevan el factor Q, o un oscilador Vackar ya que su nivel de salida es relativamente estable sobre el rango de frecuencias, y tiene un mayor ancho de banda que el Clapp. 2) Rediseñar el bucle inductivo: se comprueba con la tabla 5.4, que se obtienen cambios más drásticos en el bucle inductivo al posicionar horizontalmente el bucle inductivo respecto al tránsito de los vehículos. Se plantea incrustar en pavimento un bucle inductivo diseñado en laboratorio (de medidas 1.50mx.6m), para que esté sea completamente cubierto por el paso de los vehículos. 3) Implementación de barrera vehicular por elaboración propia: se considera la implementación, seguimiento y elaboración del diseño planteado para realización de una barrera vehicular liviana y susceptible a los propensos impactos de vehículos. Pudiéndose realizar de PVC con un contrapeso, motor de CA, reducción con polea e implementación de transmisión, controlando la pluma con un solo sentido del motor creando el vaivén con un juego de bielas. 4) Ampliar las líneas de investigación sobre los sensores AMR, para poder plantear una mejora a la resolución de la problemática planteada, aprovechado la ventaja que ofrece la MR respecto a sensores magnéticos, entre ellas la sencillez de su modelo matemático siendo de un sistema de orden cero, deslindándose de la dependencia que tienen los sensores hall a la derivada temporal de la densidad de flujo magnético.
101
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[XX]
“Hojas de datos de componentes http://www.alldatasheet.com/, al 15 de abril del 2010.
electrónicos”
103
APÉNDICE A PROVEEDORES DE SISTEMAS EXISTENTES
Se contactó por medio de Internet a la empresa SEGURIDAD DIGITAL INDUSTRIAL S.A. DE C.V., localizados en México D.F. Por medio de Sergio César Hernández Retana se realizó la requisición de un sistema completo con barrera vehicular, el cuál extendió la presente cotización:
Dicha empresa con dirección electrónica: www.seguridaddigital.com.mx, envió manual de instalación de la barrera vehicular, y un pequeño catalogo de barreras de la marca SIGMA las cuales manejan.
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De igual manera, apoyado del Internet, se contactó a la empresa DR Security S.A. de C.V., por medio del ingeniero Fernando García García quien funge como gerente de la zona norte, ubicado en Monterrey. Se solicitó la cotización de las barreras vehiculares que manejan. Se obtuvo una respuesta satisfactoria con un muy buen trato. Se estableció contacto telefónico y vía e-mail, obteniendo la siguiente cotización:
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APÉNDICE B HOJAS DE DATOS
Las hojas de datos dadas a conocer en esta sección, son parte de los diferentes componentes presentados en el desarrollo del proyecto, corresponden a los utilizados, y fue por medio de éstas con las que se resolvieron diferentes dudas técnicas con respecto a conexiones y parámetros de trabajo. La siguiente hoja de datos corresponde al transistor MPS6531 el cuál fue utilizado para la realización pruebas de estabilidad, utilizado como dispositivo de amplificación y retroalimentación para el diseño de un oscilador Colpitts.
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La hoja de datos presentada a continuación hace referencia al OPAM utilizado para la retroalimentación regenerativa del oscilador Colpitts, y es el integrado que se utilizó finalmente para el diseño. Ya que como se ve en la presente cumple con los requerimientos
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La siguiente hoja de datos hace referencia a las características físicas y eléctricas, además a los parámetros de trabajo del AD817 el cuál se utilizó para convertir la señal senoidal a cuadrada.
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El PIC16F84A, siendo la parte central para la interpretación del comportamiento del sistema, es por eso que en esta sección se dan a conocer sus características a detalle.
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La siguiente hoja de datos hace referencia a las características del LCD utilizado, siendo el GP-01 como está marcado en la parte frontal, y como número de parte de Samsung con el SMC-1622.
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La siguiente hoja de datos hace referencia al dispositivo electrónico utilizado en el punto 4.4.2.3 el cuál es el 74LS244:
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APENDICE C CODIGO FUENTE
A continuación se presenta el archivo de cabecera utilizado para poder invocar los diferentes mnemónicos. Este archivo se agrega después de haber creado el proyecto, en la opción headers files se agrega el fichero P16F84A.INC, el cuál es un archivo de encabezado que define configuraciones, registros y otros bits útiles, para que así coincida con las hojas de datos lo más cerca posible. LIST ; P16F84A.INC Standard Header File, Version 2.00 NOLIST
Microchip Technology, Inc.
; This header file defines configurations, registers, and other useful bits of ; information for the PIC16F84 microcontroller. These names are taken to match ; the data sheets as closely as possible. ; Note that the processor must be selected before this file is ; included. The processor may be selected the following ways: ; ; ; ; ;
1. Command line switch: C:\ MPASM MYFILE.ASM /PIC16F84A 2. LIST directive in the source file LIST P=PIC16F84A 3. Processor Type entry in the MPASM full-screen interface
;================================================================ ========== ; ; Revision History ; 128
;================================================================ ;Rev: Date: Reason: ;1.00 2/15/99 Initial Release ;================================================================ ; ; Register Definitions ; ;================================================================ W F
EQU EQU
H'0000' H'0001'
;----- Register Files-----------------------------------------------------INDF TMR0 PCL STATUS FSR
EQU EQU EQU EQU EQU
H'0000' H'0001' H'0002' H'0003' H'0004'
PORTA PORTB EEDATA EEADR PCLATH INTCON
EQU EQU EQU EQU EQU EQU
H'0005' H'0006' H'0008' H'0009' H'000A' H'000B'
OPTION_REG TRISA TRISB EECON1 EECON2
EQU EQU EQU EQU EQU
H'0081' H'0085' H'0086' H'0088' H'0089'
;----- STATUS Bits -------------------------------------------------------IRP EQU H'0007' 129
RP1 RP0 NOT_TO NOT_PD Z DC C
EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU
H'0006' H'0005' H'0004' H'0003' H'0002' H'0001' H'0000'
;----- INTCON Bits -------------------------------------------------------GIE EQU H'0007' EEIE EQU H'0006' T0IE EQU H'0005' INTE EQU H'0004' RBIE EQU H'0003' T0IF EQU H'0002' INTF EQU H'0001' RBIF EQU H'0000' ;----- OPTION_REG Bits ---------------------------------------------------NOT_RBPU INTEDG T0CS T0SE PSA PS2 PS1 PS0
EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU
H'0007' H'0006' H'0005' H'0004' H'0003' H'0002' H'0001' H'0000'
;----- EECON1 Bits -------------------------------------------------------EEIF WRERR WREN WR RD
EQU EQU EQU EQU EQU
H'0004' H'0003' H'0002' H'0001' H'0000'
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;================================================================ ========== ; ; RAM Definition ; ;================================================================ ========== __MAXRAM H'CF' __BADRAM H'07', H'50'-H'7F', H'87' ;================================================================ ========== ; ; Configuration Bits ; ;================================================================ ========== _CP_ON _CP_OFF _PWRTE_ON _PWRTE_OFF _WDT_ON _WDT_OFF _LP_OSC _XT_OSC _HS_OSC _RC_OSC
EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU EQU
H'000F' H'3FFF' H'3FF7' H'3FFF' H'3FFF' H'3FFB' H'3FFC' H'3FFD' H'3FFE' H'3FFF'
LIST
131
A continuación se detalla el programa contador de frecuencia que es el encargado de realizar las diferentes funciones para controlar los dispositivos de entrada/salida conectados al MCU y de igual manera es el que desarrolla el algoritmo interpretador de frecuencia. ;================================================================ ========== ; Proyecto: Contador de frecuencia. ; Programa: Frecuencímetro ; Autor: Oslo Zambrano Sánchez ; Fecha: 16 de abril del 2010. ; Descripción: ; Frecuencímetro elemental para la señal aplicada al pin RA4. ; ; ;================================================================ ========== ; ZONA DE DATOS LIST P=16F84A INCLUDE ERRORLEVEL -302 ; Elimina el mnsj 302 de la lista de archivos __CONFIG _CP_OFF & _WDT_OFF & _PWRTE_ON & _XT_OSC
#DEFINE #DEFINE #DEFINE #DEFINE #DEFINE #DEFINE
CBLOCK Frecuencia Frec_Inicial Temporal DSW1 Diferencia ENDC EN_LED LED1 LED2 LED3 LED4 LED5
0x0C ; Las variables se posicionan a partir de ; esta posición de RAM.
PORTA,3 PORTB,4 PORTB,5 PORTA,1 PORTB,6 PORTB,7 132
#DEFINE SW2 #DEFINE DSW1_1 #DEFINE DSW1_2 #DEFINE DSW1_3 Tolerancia EQU d'2'
PORTB,0 PORTB,1 PORTB,2 PORTB,3 ; Tolerancia para Auto Ajuste. Son ; unidades de la frecuencia entre 4.
;================================================================ ========== ; ZONA DE CÓDIGO ORG goto ORG goto
0 Inicio 4 Modo_Config
call bsf bsf bsf bsf bsf bcf bcf bcf bcf bcf
LCD_Inicializa STATUS,RP0 SW2 DSW1_1 DSW1_2 DSW1_3 EN_LED LED1 LED2 LED3 LED4
bcf
LED5
movlw
b'00110001'
Inicio
movwf bcf call Tomo_Muestra movlw
OPTION_REG STATUS,RP0 ClearLEDs
; Acceso al Banco 1. ;Se declaran las entradas y salidas
; Interrupción INT se activa por flanco ; de bajada. ; RA4/T0CKI. Prescaler asignado al ; WDT. ; TMR0 como contador, por flanco ; descendente de ; Activo resistencias Pull-up ; Acceso al Banco 0. ; Inicializa LEDs
Mensaje0 133
Espera
Espera2
call call movlw call btfsc goto call btfss goto clrf call movf movwf call call movlw movwf
LCD_MensajeMovimiento LCD_Linea2 Mensaje1 LCD_Mensaje SW2 Espera Retardo_20ms SW2 Espera2 TMR0 ; Inicializa contador. Retardo_10ms ; Tiempo durante el cual contará los ; pulsos. TMR0,W ; Lee el Timer 0 o, lo que es lo mismo, ; el número Frec_Inicial ; de pulsaciones en 1ms. Visualiza_Inicio Retardo_2s b'10010000' ; Permito interrupciones INTCON
; PRINCIPAL-------------------------------------------------------------------; Principal bsf
LED3
bsf
EN_LED
bcf movf
STATUS,C PORTB,W
andlw
0x0E
movwf rrf
DSW1 DSW1,0
addwf
PCL,F
; Me aseguro de que está apagado ; LED3. ; Activo alta impedancia en buffer de ; LEDs. ; Bajo bandera de acarreo. ; Lee el modo de sensibilidad en el ; DIPSwitch ; solamente importan los 3 bits de ; DSW1. ; Paso la configuracion a DSW1. ; Ya que DSW1 esta en RB1, RB2 y ; RB3, se rota un bit a la derecha. ; Salta a la configuración adecuada. 134
Sensibilidad goto goto goto goto Configuración1 movlw call call movlw
;
;
call movf call movlw call call call call
btfss call goto
Configuracion1 Configuracion2 Configuracion3 Configuracion4
; CONFIGURACIÓN DEFAULT .1 Num_Config LeeFrec .5
; Se sitúa en el centro de la segunda ; línea.
LCD_PosiciónLinea2 Frecuencia,W ; Visualiza la frecuencia. VisualizaNúmero Mensaje3 LCD_Mensaje Retardo_20ms ControlLEDs Frec_Down ; Verifica que la frecuencia haya ; bajado. Levantar una bandera y estar ; checando que cumpla el ciclo Retardo_1s Fin
Configuración2
;CONFIGURACION ; LABORATORIO
movlw call goto
.2 Num_Config Fin
Configuración3 movlw call
.3 Num_Config
goto
; Configuración DEFAULT ; Modo Laboratorio.
Fin 135
Configuración4 movlw call Fin goto
.4 Num_Config Principal
; Subrutina "Mensajes" -----------------------------------------------------------------Mensajes addwf PCL,F Mensaje0 DT " " DT "CONFIGURANDO" DT " corroborar que" DT " no haya auto" DT " ", 0x00 Mensaje1 DT "PRESS CONFIG/OK", 0x00 Mensaje2 DT "Frec Inicial", 0x00 Mensaje3 DT "hz", 0x00 Mensaje4 DT "Configuración", 0x00 FinMensajes ;SUBRUTINAS ; Servicio a las INTERRUPCIONES ; Subrutina "Modo_Config" --------------------------------------------------------------; Descripción: Entra a la interrupción cuando se desea comprobar ; la frecuencia de trabajo, con la Inicial. CBLOCK FLAG0 ENDC Modo_Config call
Retardo_20ms
; Debouncing. 136
btfss call btfsc
SW2 Configura FLAG0,0
goto
FinInterrupcion
FinInterrupcion clrf bcf retfie
; ¿Está presionado el pulsador SW2? ; Comprueba que la interrupcion no ; haya sido para ; configurar, si es así, retorna.
FLAG0 INTCON,INTF
; Subrutina "Configura" -------------------------------------------------------------------; Configura EsperaDejePulsar btfss SW2 goto EsperaDejePulsar movlw Mensaje0 call LCD_MensajeMovimiento call LCD_Linea2 movlw Mensaje1 call LCD_Mensaje Espera1 btfsc SW2 goto Espera1 ; Aqui pregunto si desean ; establecer como nueva ; frecuencia inicial la real. ; Si así lo deseas dejar ; presionado el SW2. bsf FLAG0,0 return ; Subrutina "Visualiza_Inicio" ----------------------------------------------------------; Visualiza_Inicio call LCD_Borra movlw Mensaje2 call LCD_Mensaje 137
movlw
.5
call movf call movlw call return
LCD_PosicionLinea2 Frec_Inicial,W VisualizaNumero Mensaje3 LCD_Mensaje
; Se sitúa en el centro de la ; segunda línea. ; Visualiza la frecuencia.
; Subrutina "Visualiza" -----------------------------------------------------------------; ; Cuando haya que visualizar en LCD ; Visualiza movlw .5 ; Se sitúa en el centro de la ; segunda línea. call LCD_PosicionLinea2 movf Frecuencia,W ; Visualiza la frecuencia. call VisualizaNumero movlw Mensaje3 call LCD_Mensaje return
; Subrutina "VisualizaNumero" ----------------------------------------------------------; ; Cuando haya que visualizar un número mayor de 99 las decenas siempre se visualizan aunque ; sean cero. Cuando sea menor de 99 las decenas no se visualizan si son cero. ; CBLOCK GuardaNumero ENDC VisualizaNumero Movwf call
GuardaNumero BIN_a_BCD
; Reserva el número. ; Pasa el número a BCD. 138
movf Btfss
BCD_Centenas,W STATUS,Z
goto movf call call
VisualizaCentenas GuardaNumero,W BIN_a_BCD LCD_Byte
goto VisualizaCentenas call movf call call
; Primero las centenas. ; Si son cero no visualiza las ; centenas. ; Vuelve a recuperar este valor. ; Lo pasa a BCD. ; Visualiza las decenas y ; unidades.
FinVisualizaNumero LCD_Nibble GuardaNumero,W BIN_a_BCD LCD_ByteCompleto
; Visualiza las centenas. ; Vuelve a recuperar este valor. ; Lo pasa a BCD. ; Visualiza las decenas aunque ; sea cero.
FinVisualizaNumero return ; Subrutina "Config" -------------------------------------------------------------------; CBLOCK Guarda_Config ENDC Num_Config movwf call movlw call movlw call movfw call call return ;
Guarda_Config LCD_Borra Mensaje4 LCD_Mensaje .14 LCD_PosicionLinea1 Guarda_Config VisualizaNumero Retardo_2s
CONTROL de LEDs 139
ControlLEDs movfw
Frec_Inicial
subwf movwf
Frecuencia,W Diferencia
btfss
STATUS,C
goto
AutoAjuste
btfsc goto goto
STATUS,Z FinControlLEDs Detecta
; La frecuencia real es menor a la frecuencia Inicial. ; Se desajusto por cambios climaticos. AutoAjuste movfw Frecuencia subwf movwf
Frec_Inicial,W Diferencia
movlw
Tolerancia
subwf btfss
Diferencia,W STATUS,C
goto
FinAutoAjuste
btfsc goto goto
STATUS,Z SinVehiculo Ajusta
movfw
Frecuencia
; Carga la frecuencia a ; comparar ;(Frecuencia-Frec_Inicial-->W) ; Guardo el resultado de la ; substraccion. ; ¿C=1? ¿(W) positivo? ; ¿Frecuencia>=Frec_Inicial? ; No. C=0, por tanto ; (FrecuenciaFrec_Inicial)
; Carga la frecuencia a ; comparar ;(Frec_Inicial-Frecuencia-->W) ; Guardo el resultado de la ; substraccion. ; Carga la tolerancia a ; comparar ; (Diferencia)-Tolerancia-->W ; ¿C=1?. ¿(W) ; positivo?. ; ¿Diferencia>=Tolerancia? ; No. C=0, por tanto ; (DiferenciaTolerancia)
Ajusta
140
movwf goto
Frec_Inicial FinControlLEDs
goto
FinControlLEDs
movlw subwf btfss goto call goto
.16 Diferencia,W STATUS,C Siguiente1 DeteccionExcelente FinControlLEDs
movlw subwf btfss goto call goto
.12 Diferencia,W STATUS,C Siguiente2 DeteccionBuena FinControlLEDs
movlw subwf btfss goto call goto
.6 Diferencia,W STATUS,C Siguiente3 DeteccionPasa FinControlLEDs
movlw subwf btfss goto call goto
.4 Diferencia,W STATUS,C Siguiente4 DeteccionBaja FinControlLEDs
movlw subwf btfss
.2 Diferencia,W STATUS,C
FinAutoAjuste
Detecta
Siguiente1
Siguiente2
Siguiente3
Siguiente4
141
goto call goto
Siguiente5 Interferencia FinControlLEDs
movlw subwf btfss goto call goto
.0 Diferencia,W STATUS,C FinControlLEDs DeteccionBaja FinControlLEDs
bsf bsf bsf bsf bsf goto
LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 FinControlLEDs
Siguiente5
SinVehiculo
Interferencia
; Cambir de sensibilidad. bcf bcf bsf bsf bsf bsf goto
EN_LED LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 FinControlLEDs
DeteccionBaja
; Se recomienda ; cambiar de sensibilidad. bcf bcf bcf bsf bsf bsf
EN_LED LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 142
goto
FinControlLEDs
DeteccionPasa
; Pasa. Pero regularmente es ; aqui una menor sensibilidad. bcf bcf bcf bcf bsf bsf goto
EN_LED LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 FinControlLEDs
DeteccionBuena
; Buen deteccion.
bcf bcf bcf bcf bcf bcf goto
EN_LED LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 FinControlLEDs
DeteccionExcelente
bsf bsf bsf bsf bsf FinControlLEDs
; Excelente deteccion. Pero ; debe bajar LED1 LED2 LED3 LED4 LED5 return
ClearLEDs bcf
EN_LED
; Activa buffer para LEDs, ; recibe datos del Puerto B. 143
bsf
LED1
bsf
LED2
bsf bsf bsf
LED3 LED4 LED5
bsf
EN_LED
; Limpia la barra de LEDs, ; poniendo a 1 los bits ; correspondientes. ; Ya que estan conectados en ; logica positiva.
; Desactiva buffer para LEDs, ; poniendo en alta impedancia. ; Bus listo para desplegar mnsjs ; en LCD y NO Enviar a los ; LEDs.
return LeeFrec clrf Call
TMR0 Retardo_10ms
movf
TMR0,W
movwf return
Frecuencia
Frec_Down
; Inicializa contador. ; Tiempo durante el cual ; contará los pulsos. ; Lee el Timer 0 o, lo que es lo ; mismo, el número ; de pulsaciones por ms.
; Debucing para la frecuencia. ; No sale de esta subrutina si no ; baja la frecuencia. call movfw
LeeFrec Frec_Inicial
subwf movwf
Frecuencia,W Diferencia
movlw
Tolerancia
subwf btfss
Diferencia,W STATUS,C
; Carga la frecuencia a ; comparar ;(Frecuencia-Frec_Inicial-->W) ; Guardo el resultado de la ; substraccion. ; Carga la tolerancia a ; comparar ; (Diferencia)-Tolerancia-->W ; ¿C=1?. ¿(W) positivo?. ; ¿Diferencia>=Tolerancia? 144
FrecOk
goto
FrecOk
btfsc goto
STATUS,Z AutoAjuste
goto
Frec_Down
; No. C=0, por tanto ; (DiferenciaTolerancia)
return INCLUDE INCLUDE INCLUDE INCLUDE END
Subrutina LCD_4BIT ;****************************Librería "LCD_4BIT.INC" ********************** ; ;================================================================ ; Del libro "MICROCONTROLADOR PIC16F84. DESARROLLO DE PROYECTOS" ; E. Palacios, F. Remiro y L. López. www.pic16f84a.com ; Editorial Ra-Ma. www.ra-ma.es ;================================================================ ; ; Estas subrutinas permiten realizar las tareas básicas de control de un módulo LCD de 2 ; líneas por 16 caracteres, compatible con el modelo LM016L. ; ; El visualizador LCD está conectado al Puerto B del PIC mediante un bus de 4 bits. Las ; conexiones son: ;Las 4 líneas superiores del módulo LCD, pines se conectan a las 4 145
; líneas superiores del Puerto B del PIC, pines . ;Pin RS del LCD a la línea RA0 del PIC. ;Pin R/W del LCD a la línea RA1 del PIC, o a masa. ;Pin Enable del LCD a la línea RA2 del PIC. ; ; Se utilizan llamadas a subrutinas de retardo de tiempo localizadas en la librería ; RETARDOS.INC. ; ; ZONA DE DATOS ********************************************************************* CBLOCK LCD_Dato LCD_GuardaDato LCD_GuardaTRISB LCD_Auxiliar1 LCD_Auxiliar2 ENDC LCD_CaracteresPorLinea
EQU .16
#DEFINE LCD_PinRS ; #DEFINE LCD_PinRW #DEFINE LCD_PinEnable #DEFINE LCD_BusDatos
PORTA,0 PORTA,1 PORTA,2 PORTB
; Número de caracteres por ; línea de la pantalla.
; Subrutina "LCD_Inicializa" -----------------------------------------------------------; ; Inicialización del LCD: Configura funciones del LCD, produce reset por software, ; borra memoria y enciende pantalla. El fabricante especifica que para garantizar la ; configuración inicial hay que hacerla como sigue: ; LCD_Inicializa bsf STATUS,RP0 ; Configura las líneas ; conectadas al pines RS, bcf LCD_PinRS ; R/W y E. 146
; ;
bcf bcf Bcf bcf
LCD_PinEnable LCD_PinRW STATUS,RP0 LCD_PinRW
bcf
LCD_PinEnable
bcf
LCD_PinRS
call movlw call call movlw call call movlw call call
Retardo_20ms b'00110000' LCD_EscribeLCD Retardo_5ms b'00110000' LCD_EscribeLCD Retardo_200micros b'00110000' LCD_EscribeLCD Retardo_20micros
movlw call call
b'00100000' LCD_EscribeLCD Retardo_20micros
; En caso de que esté conectado ; le indica que se va a escribir ; en el LCD. ; Impide funcionamiento del ; LCD poniendo E=0. ; Activa el Modo Comando ; poniendo RS=0.
; Escribe el dato en el LCD.
; Este retardo es necesario para ; simular en PROTEUS. ; Interface de 4 bits. ; Este retardo es necesario para ; simular en PROTEUS.
; Ahora configura el resto de los parámetros: call call Cursor al principio call call return
LCD_2Lineas4Bits5x7 LCD_Borra
; LCD de 2 líneas y caracteres ; de 5x7 puntos. ; Pantalla encendida y limpia.
LCD_CursorOFF LCD_CursorIncr
; de la línea 1. Cursor apagado. ; Cursor en modo incrementar.
; Subrutina "LCD_EscribeLCD" ----------------------------------------------------------147
; ; Envía el dato del registro de trabajo W al bus de dato y produce un pequeño pulso en el ; pin Enable del LCD. Para no alterar el contenido de las líneas de la parte baja del Puerto B ; que no son utilizadas para el LCD (pines RB3:RB0), primero se lee estas líneas y después ; se vuelve a enviar este dato sin cambiarlo.
LCD_EscribeLCD andlw
b'11110000'
movwf
LCD_Dato
movf
LCD_BusDatos,W
andlw
b'00001111'
iorwf
LCD_Dato,F
bsf movf
STATUS,RP0 TRISB,W
movwf movlw
bcf
LCD_GuardaTRISB b'00001111' ; Las 4 líneas inferiores del ; Puerto B se dejan PORTB,F ; como estaban y las 4 ; superiores como salida. STATUS,RP0 ; Acceso al Banco 0.
movf movwf bsf
LCD_Dato,W LCD_BusDatos LCD_PinEnable
bcf
LCD_PinEnable
andwf
; Se queda con el nibble alto ; del dato que es el ; que hay que enviar y lo ; guarda. ; Lee la información actual de ; la parte baja ; del Puerto B, que no se debe ; alterar. ; Enviará la parte alta del dato ; de entrada y en la parte baja lo ; que había antes. ; Acceso al Banco 1. ; Guarda la configuración que ; tenía antes TRISB.
; ; Recupera el dato a enviar. ; Envía el dato al módulo LCD. ; Permite funcionamiento del ; LCD mediante un pequeño ; pulso y termina impidiendo el ; funcionamiento del LCD.
148
bsf movf movwf bcf return
STATUS,RP0
; Acceso al Banco 1. Restaura ; el antiguo valor en LCD_GuardaTRISB,W ; la configuración del Puerto ; B. TRISB STATUS,RP0 ; Acceso al Banco 0.
; Subrutinas variadas para el control del módulo LCD ----------------------------------------; ;Los comandos que pueden ser ejecutados son: ; LCD_CursorIncr ; Cursor en modo incrementar. movlw b'00000110' goto LCD_EnviaComando LCD_Linea1 ; Cursor al principio de la Línea ; 1. movlw b'10000000' ; Dirección 00h de la DDRAM goto LCD_EnviaComando LCD_Linea2 ; Cursor al principio de la Línea ; 2. movlw b'11000000' ; Dirección 40h de la DDRAM goto LCD_EnviaComando LCD_Linea3 ; Cursor al principio de la Línea ;3 movlw b'10010100' ; Dirección 14h de la DDRAM goto LCD_EnviaComando LCD_Linea4 ; Cursor al principio de la Línea ;4 movlw b'11010100' ; Dirección 54h de la DDRAM goto LCD_EnviaComando LCD_PosicionLinea1 ; Cursor a posición de la Línea ; 1, a partir de la iorlw b'10000000' ; dirección 00h de la DDRAM ; más el valor del goto LCD_EnviaComando ; registro W.
149
LCD_PosicionLinea2
; Cursor a posición de la Línea ; 2, a partir de la iorlw b'11000000' ; dirección 40h de la DDRAM ; más el valor del goto LCD_EnviaComando ; registro W. LCD_OFF ; Pantalla apagada. movlw b'00001000' goto LCD_EnviaComando LCD_CursorON ; Pantalla encendida y cursor ; encendido. movlw b'00001110' goto LCD_EnviaComando LCD_CursorOFF ; Pantalla encendida y cursor ; apagado. movlw b'00001100' goto LCD_EnviaComando LCD_Borra ; Borra toda la pantalla, ; memoria DDRAM y pone el movlw b'00000001' ; cursor a principio de la línea ; 1. goto LCD_EnviaComando LCD_2Lineas4Bits5x7 ; Define la pantalla de 2 líneas, ; con caracteres movlw b'00101000' ; de 5x7 puntos y conexión al ; PIC mediante bus de ; goto LCD_EnviaComando ; 4 bits. ; Subrutinas "LCD_EnviaComando" y "LCD_Caracter" -----------------------------------; ; "LCD_EnviaComando". Escribe un comando en el registro del módulo LCD. La palabra ; de comando ha sido entregada a través del registro W. Trabaja en Modo Comando. ; "LCD_Caracter". Escribe en la memoria DDRAM del LCD el carácter ASCII introducido ; a través del registro W. Trabaja en Modo Dato. ; LCD_EnviaComando bcf LCD_PinRS ; Activa el Modo Comando, ; poniendo RS=0. 150
goto
LCD_Envia
bsf
LCD_PinRS
LCD_Caracter
call
; Activa el "Modo Dato", ; poniendo RS=1. LCD_CodigoCGROM ; Obtiene el código para ; correcta visualización.
LCD_Envia movwf call swapf
call btfss call call return
LCD_GuardaDato ; Guarda el dato a enviar. LCD_EscribeLCD ; Primero envía el nibble alto. LCD_GuardaDato,W ; Ahora envía el nibble bajo. ; para ello pasa el nibble bajo ; del dato a enviar a parte alta ; del byte. LCD_EscribeLCD ; Se envía al visualizador LCD. LCD_PinRS ; Debe garantizar una correcta ; escritura manteniendo Retardo_2ms ; 2 ms en modo comando y 50 ; µs en modo cáracter. Retardo_50micros
; Subrutina "LCD_CodigoCGROM" ----------------------------------------------------------; ; A partir del carácter ASCII número 127 los códigos de los caracteres definidos en la ; tabla CGROM del LM016L no coinciden con los códigos ASCII. Así por ejemplo, el ; código ASCII de la "Ñ" en la tabla CGRAM del LM016L es EEh. ; ; Esta subrutina convierte los códigos ASCII de la "Ñ", "º" y otros, a códigos CGROM para ; que puedan ser visualizado en el módulo LM016L. ; ; Entrada: En (W) el código ASCII del carácter que se desea visualizar. ; Salida: En (W) el código definido en la tabla CGROM. LCD_CodigoCGROM movwf LCD_EnheMinuscula
LCD_Dato
; Guarda el valor del carácter y ; comprueba si es ; un carácter especial. 151
sublw btfss goto movlw movwf goto
'ñ' ; ¿Es la "ñ"? STATUS,Z LCD_EnheMayuscula ; No es "ñ". b'11101110' ; Código CGROM de la "ñ". LCD_Dato LCD_FinCGROM
movf
LCD_Dato,W
sublw btfss goto movlw
'Ñ' STATUS,Z LCD_Grado b'11101110'
movwf
LCD_Dato
goto
LCD_FinCGROM
movf
LCD_Dato,W
sublw btfss goto movlw
'º' STATUS,Z LCD_FinCGROM b'11011111'
movwf
LCD_Dato
movf return
LCD_Dato,W
LCD_EnheMayuscula ; Recupera el código ASCII de ; entrada. ; ¿Es la "Ñ"? ; No es "Ñ". ; Código CGROM de la "ñ". ; (No hay símbolo para ; la "Ñ" mayúscula en la ; CGROM).
LCD_Grado ; Recupera el código ASCII de ; entrada. ; ¿Es el símbolo "º"? ; No es "º". ; Código CGROM del símbolo ; "º".
LCD_FinCGROM ; En (W) el código buscado.
; Subrutina "LCD_DosEspaciosBlancos" y "LCD_LineaBlanco" -------------------------------; ; Visualiza espacios en blanco. LCD_LineaEnBlanco movlw goto
LCD_CaracteresPorLinea LCD_EnviaBlancos 152
LCD_UnEspacioBlanco movlw goto LCD_DosEspaciosBlancos movlw goto LCD_TresEspaciosBlancos movlw LCD_EnviaBlancos movwf LCD_EnviaOtroBlanco movlw call decfsz goto return
.1 LCD_EnviaBlancos .2 LCD_EnviaBlancos .3 LCD_Auxiliar1
; (LCD_Auxiliar1) se utiliza ; como contador.
'' LCD_Caracter
; Esto es un espacio en blanco. ; Visualiza tanto espacios en ; blanco como se LCD_Auxiliar1,F ; haya cargado en ; (LCD_Auxiliar1). LCD_EnviaOtroBlanco
; Subrutinas "LCD_ByteCompleto" y "LCD_Byte" -------------------------------------------; ; Subrutina "LCD_ByteCompleto", visualiza el byte que almacena el registro W en el ; lugar actual de la pantalla. Por ejemplo, si (W)=b'10101110' visualiza "AE". ; ; Subrutina "LCD_Byte" igual que la anterior, pero en caso de que el nibble alto sea cero ; visualiza en su lugar un espacio en blanco. Por ejemplo si (W)=b'10101110' visualiza "AE" ; y si (W)=b'00001110', visualiza " E" (un espacio blanco delante). ; ; Utilizan la subrutina "LCD_Nibble" que se analiza más adelante. ; LCD_Byte movwf LCD_Auxiliar2 ; Guarda el valor de entrada. andlw b'11110000' ; Analiza si el nibble alto es ; cero. btfss STATUS,Z ; Si es cero lo apaga. 153
goto movlw call goto
LCD_VisualizaAlto ; No es cero y lo visualiza. '' ; Visualiza un espacio en ; blanco. LCD_Caracter LCD_VisualizaBajo
movwf
LCD_Auxiliar2
; Guarda el valor de entrada.
swapf
LCD_Auxiliar2,W
call
LCD_Nibble
; Pone el nibble alto en la parte ; baja. ; Lo visualiza.
movf
LCD_Auxiliar2,W
call return
LCD_Nibble
LCD_ByteCompleto LCD_VisualizaAlto
LCD_VisualizaBajo
; ;
; Repite el proceso con el ; nibble bajo. ; Lo visualiza.
; Subrutina "LCD_Nibble" ---------------------------------------------------------------; ; Visualiza en el lugar actual de la pantalla, el valor hexadecimal que almacena en el nibble ; bajo del registro W. El nibble alto de W no es tenido en cuenta. Ejemplos: ; - Si (W)=b'01010110', se visualizará "6". ; - Si (W)=b'10101110', se visualizará "E". ; LCD_Nibble andlw b'00001111' ; Se queda con la parte baja. movwf LCD_Auxiliar1 ; Lo guarda. sublw 0x09 ; Comprueba si hay que ; representarlo con letra. btfss STATUS,C goto LCD_EnviaByteLetra movf LCD_Auxiliar1,W addlw '0' ; El número se pasa a carácter ; ASCII sumándole goto LCD_FinVisualizaDigito ; el ASCII del cero y lo ; visualiza. 154
LCD_EnviaByteLetra movf addlw LCD_FinVisualizaDigito goto
LCD_Auxiliar1,W 'A'-0x0A
LCD_Caracter
; Sí, por tanto, se le suma el ; ASCII de la 'A'. ; Y visualiza el carácter. Se ; hace con un "goto" para no ; sobrecargar la pila.
155
APENDICE D DISEÑO DE PCB
A continuación se muestran los diferentes layouts obtenidos del diseño del circuito detector de bucle inductivo e interpretador de frecuencia. Los cuáles sirvieron para determinar las diferentes medidas de las brocas a utilizar para cada pad del componente, así cómo para construir físicamente la tablilla y darse una idea dimensional de los obtenidos. Layout de bottom copper y boarder edge con mirror, éste fue el layout utilizado para la construcción de la tablilla:
Diferentes layout generados para el diseño e interpretar el acomodo de los componentes:
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