Brujula Electronica

INSTITUTO INSTI TUTO POLITÉCN POL ITÉCNICO ICO NACIONAL NA CIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

BRÚJULA ELECTRÓN ELECTRÓNICA ICA

TESIS QUE PARA OBTENER OB TENER EL EL TÍTULO DE INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

PRESENTAN ALDAN AL DANA A SALIN SA LINAS AS OSCAR OSCA R DANIEL GONZÁLEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSÉ MANUEL

ASESORES: ING. ENRIQUE LÓPEZ ORTEGA ING. EDGAR CALDERÓN CAL DERÓN DÍAZ

MÉXICO, D.F. 2008

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESIME ZACATENCO INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA

BRÚJULA ELECTRÓNICA

BRÚJULA ELECTRÓNICA REFERENCIA DE FIGURAS Y TABLAS RESUMEN

6

SUMMARY

7

ANTECEDENTES

8

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

12

OBJETIVOS

12

JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA

13

ANÁLISIS Y ALCANCE

13

PRÓLOGO

14

CAPÍTULO 1 CONCEPTOS Y FUNCIONES BÁSICAS GENERALES DE LA BRÚJULA, MICROCONTROLADOR MSP430 (MSP430F1232) INTRODUCCIÓN 1.1 CONCEPTO Y FUNCIONES BÁSICAS GENERALES DE LA BRÚJULA 1.2 ROSA DE LOS VIENTOS, ROSA NÁUTICA O COMPÁS MARINO 1.3 FORMAS DE ORIENTACIÓN 1.4 CAMPO MAGNÉTICO DE LA TIERRA 1.5 BALANCEO DE UNA BRÚJULA 1.5.1 REPRESENTACIÓN DE PAÍSES DE CADA ZONA 1.6 MICROCONTROLADOR MSP430 1.6.1 DESCRIPCIÓN 1.6.2 CARACTERÍSTICAS DEL MSP430F1232 1.6.3 APLICACIONES CON EL MICROCONTROLADOR MSP430F1232 1.7 SISTEMA IAR 1.7.1 FAMILIAS COMPATIBLES CON IAR SYSTEM 1.7.2 SOFTWARE IAR EMBEDDED WORKBENCH

15 15 17 18 19 20 20 21 21 22 23 24 24 25

1 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



CAPÍTULO 2 SENSOR KMZ51 PARA UNA BRÚJULA ELECTRÓNICA INTRODUCCIÓN 2.1 BLOQUES DE LA BRÚJULA ELECTRÓNICA 2.2 CONCEPTOS GENERALES DEL SENSOR KMZ51 2.2.1 SENSORES DE CAMPO MAGNÉTICO 2.2.2 SENSORES MAGNETO-RESISTIVOS (MR) PARA APLICACIONES DE LA BRÚJULA 2.2.3 ELEMENTO DEL SENSOR MAGNETO-RESISTIVO 2.2.3.1 EFECTO MAGNETO-RESISTIVO 2.2.3.2 OPTIMIZACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL SENSOR UTILIZANDO ESTRUCTURAS BARBER POLE 2.2.3.3 CONFIGURACIÓN PUENTE DE WHEATSTONE 2.2.4 BOBINA DE AJUSTE/REAJUSTE Y DE COMPENSACIÓN 2.2.5 SENSORES DE MR MARCA PHILIPS PARA SISTEMA DE BRÚJULAS 2.3 UNIDAD DE ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL (UAS) 2.3.1 REQUERIMIENTOS 2.3.2 COMPENSACIÓN DE VARIACIÓN

26 26 27 29

34 35 36 38

2.3.3 COMPENSACIÓN DE LA DIFERENCIA DE SENSIBILIDAD ( S) 2.3.4 COMPENSACIÓN NO-ORTOGONAL 2.3.5 CIRCUITO DISEÑADO 2.3.6 UAS CON MICROCONTROLADOR 2.4 UNIDAD DE DETERMINACIÓN DE DIRECCIÓN (DDU) 2.4.1 BRÚJULA DE 8 SEGMENTOS 2.4.2 BRÚJULA DE ALTA RESOLUCIÓN 2.5 CALIBRACIÓN DEL NORTE VERDADERO 2.6 EJEMPLO DE APLICACIONES 2.7 INTERFAZ O DESPLIEGUE EN LCD 2.7.1 LCD 2.8 OTROS FACTORES PARA MEJORAR UNA BRÚJULA ELECTRÓNICA

40 42 43 44 45 45 46 46 47 49 49 51

30 30 30 31 33 33




CAPÍTULO 3 BRÚJULA DIGITAL (CMPS03) INTRODUCCIÓN 3.1 CONCEPTOS GENERALES DE LA BRÚJULA DIGITAL 3.2 CARACTERÍSTICAS DE LA BRÚJULA DIGITAL 3.3 CIRCUITOS INTEGRADOS EN LA BRÚJULA DIGITAL (CMPS03) 3.3.1 AMPLIFICADOR LMC6041 3.3.1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL 3.3.1.2 CARACTERÍSTICAS 3.3.1.3 APLICACIONES 3.3.2 MICROCONTROLADOR PIC18F2321 3.3.2.1 MODOS DE ENERGÍA 3.3.2.2 ESTRUCTURA FLEXIBLE DEL OSCILADOR 3.3.2.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS PERIFÉRICOS 3.4 FUNCIONAMIENTO DE LA BRÚJULA DIGITAL 3.5 CONEXIONES DE LA BRÚJULA DIGITAL 3.6 CALIBRACIÓN DE LA BRÚJULA DIGITAL 3.7 MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSOS

52 52 53 54 54 54 54 54 55 55 55 55 56 57 59 59

CAPÍTULO 4 PRUEBAS DEL SISTEMA INTRODUCCIÓN 4.1 VERIFICACIÓN Y COMPROBACIÓN DEL SENSOR CMPS03 4.2 CONEXIÓN DEL SENSOR CMPS03 CON EL MICROCONTROLADOR MSP430F1232 4.3 PROGRAMA PARA EL MICROCONTROLADOR MSP430F1232 4.4 FUNCIONAMIENTO Y DESPLIEGUE EN LCD DE LA BRÚJULA ELECTRÓNICA 4.5 PRECISIÓN DE LA BRÚJULA ELECTRÓNICA CONTRA UNA BRÚJULA ORDINARIA

61 61 62 64 69 70




CONCLUSIONES

71

GLOSARIO

72

BIBLIOGRAFÍA

74

ANEXO

76

LISTA DE ILUSTRACIONES Figura A 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11a 11b 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

Titulo

Página

Brújula moderna con líquido Grafica de escala Rosa de los vientos Campo magnético de la Tierra Mapa con zonas terrestres Pines del MSP430F1232 Diagrama a bloques del MSP430F1232 Producto IAR system Diagrama a bloques de una brújula electrónica Vector del campo de la Tierra en 3D Efecto magneto-resistivo en el Permalloy Características de un sensor estándar R-H Características de sensores “Barber Pole” Sensor “Barber Pole” Configuración puente de Wheatsone Campos generados por la bobina de compensación y de ajuste/reajuste Circuito integrado KMZ51 Efecto de inversión en la característica del sensor Diagrama a bloques del circuito de inversión Diagrama de tiempo para circuito de inversión Salida característica típica del sensor MR Diagrama a bloques del circuito de compensación de inversión y retroalimentación electromagnética Circuito acondicionado de señal para un sensor Señal acondicionada a un microcontrolador Dirección determinada para la brújula de 8 segmentos Circuito para la brújula de 8 segmentos Brújula analógica de 8 segmentos Brújula analógica con alta resolución

10 17 17 20 20 22 23 24 26 29 30 32 32 32 33 34 35 38 39 39 41 42 43 44 45 45 47 48




27 B 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44

Tabla 1 2 3 4

Brújula avanzada con alta resolución con microcontrolador Pantalla de LCD Brújula digital CMPS03 Diagrama de cada componente de la brújula digital CMPS03 Amplificador LM6041 PIC18F2321 Pines de la brújula digital CMPS03 Señal de onda cuadrada de amplitud acotada Circuito para disminuir el voltaje de la señal PWM Conexión del CMPS03 para conectarse al MSP430F1232 Circuito eléctrico de la brújula electrónica Diagrama de flujo del programa principal Diagrama de flujo del inicio del programa Diagrama de flujo de la configuración del puerto A Diagrama de flujo del LCD Diagrama de la configuración del LCD Brújula electrónica indicando 0° (Norte) Brújula electrónica indicando 90° respecto al Norte (Este) Comparación de la brújula electrónica VS brújula ordinaria

Titulo

48 51 52 53 55 56 57 59 62 63 63 64 65 66 68 68 69 69 70

Página

Puntos cardinales Características de los sensores KMZ51 y KMZ52 Métodos de calibración y sumario de errores Relación de ángulos con respecto a su ancho de pulso

18 35 37 61




RESUMEN En este trabajo se describe el diseño y construcción, de un sistema de orientación por medio de una brújula electrónica. Con el interés de mostrar el sistema proyectado a manera de prototipo donde este se despliegue en una pantalla de LCD para que se pueda usar en algunos servicios que se describen: • • •

En la navegación marítima y aérea. Para la elaboración de pilotos automáticos. Para dar la orientación a un automóvil sin usar tecnología GPS.

El sistema de orientación utiliza la brújula digital CMPS03, que es un sensor de campos magnéticos que una vez calibrado ofrece una precisión de 3 a 4 grados. Este sensor CMPS03 esta específicamente diseñado como sistema de navegación para robots. Esta brújula esta basada en los sensores de marca Philips KMZ51 que se colocan a 90 grados uno del otro y que son lo suficientemente sensibles para captar el campo magnético de la tierra. Además cuenta con un amplificador LMC6041 y un microcontrolador PIC18F2321 integrados a la brújula digital CMPS03 que sirven para amplificar el voltaje de los sensores captadores de los dos ejes de la Tierra y el PIC lo utiliza para hacer los cálculos del acimut y dar 2 diferentes salidas, una es PWM (Modulación por Ancho de Pulso) y la otra una interfaz I2C. El calculo del PWM para obtener los grados y desplegarlos en el LCD de forma decimal lo hace el microcontrolador MSP430F1232 que es un microcontrolador que no se encuentra en México de la marca Texas Instrument y que tiene muchas ventajas a los microcontroladores que hay en México. Esta brújula electrónica tiene más ventajas que una brújula ordinaria y son las siguientes: • • • • •

Mayor exactitud y precisión. Mayor facilidad de manejo. Mejor facilidad de entendimiento y visualización. Menor interferencia. Comunicación con otros sistemas electrónicos (PC).

Esta brújula electrónica tiene muy pocas desventajas que una brújula ordinaria y la más significativa es que no es ecológica ya que necesita de una pila.




SUMMARY In this work it’s described the design and construction, of an orientation system by an electronic compass. With the interest of showing the projected system in prototype form where this is displayed in a LCD screen in order to be used in services such as: • • •

In the Air and Sea navigation In the elaboration of automatic pilots In the orientation of a car without using GPS technology

The orientation system uses a digital compass CMPS03 this is a magnetic field sensor that once it’s calibrated delivers a 3 to 4 degrees accuracy. This CMPS03 sensor is design specifically as a robot’s navigation system. This compass is based on Philips KMZ51 sensors which are located at 90 degrees one from the other and that they’re sensible enough to capture the earth’s magnetic field. It also has an LM6041 amplifier and a PIC18F2321 microcontroller integrated to the CMPS03 digital compass which helps to amplify the voltage of the sensible sensor of the 2 earth’s axis and the PIC its used to calculate the azimuth and give 2 different outputs, one is PWM (Pulse Width Modulation) and the other is a I2C interface. The PWM calculation to obtain the degrees and display them on the LCD on a decimal way is made by the microcontroller MSP430F1232 that is a microcontroller that is not found in Mexico’s Texas Instrument Brand and has many advantages over the Mexican microcontrollers. This electronic compass has many more advantages than the ordinary compass and are as follows: • • • • •

Greater precision and accuracy Greater and easier handling Greater and easier understanding and visualization Less interference Communication with other electronic devices (PC)

This electronic compass has very few disadvantages than an ordinary compass and the more significant is that it’s not eco-friendly because it needs a battery.




ANTECEDENTES La brújula es un instrumento muy antiguo, fue descubierta por los chinos aunque como antes no se patentaban los inventos no es muy seguro confirmar esto. La brújula es aliado de todos los navegantes y que ha sido y seguirá siendo muy importante para conocer nuestra ubicación en este planeta. En el lenguaje de los marineros a la brújula se le conoce como compás (que proviene de una palabra francesa que significa " girar ", así se le conoce en inglés también). Los marinos de antaño tenían miedo de internarse en alta mar. Tenían buenos barcos pero no podían saber hacia donde se dirigían. Se orientaban por el sol o la estrella polar. Pero había ciertas complicaciones para su orientación cuando se valían de los factores antes mencionados, ya que influía mucho el clima que se encontraba en esos días y, por esa razón debían mantenerse a la vista de tierra. Existían ciertas complicaciones ya que tenían que alargar considerablemente su camino, había muchas rocas cerca de la costa pero en esos instantes era lo único que podían hacer. Con la ayuda de la brújula las complicaciones que se mencionaron anteriormente fueron superadas poco a poco, ya que con ésta se logró cruzar los mares en todas direcciones, por lo cual era difícil extraviarse porque ya sabían donde estaba el Norte. En el siglo VI a.c. se descubrió que cierta clase de mineral atraía al hierro, como fue hallado cerca de la ciudad de Magnesia, en Asia Menor, se llamó piedra de Magnesia, y el fenómeno se denominó magnetismo. Éste fue estudiado por primera vez por Tales de Mileto. Tiempo después se descubrió que si un fragmento de hierro o acero se frotaba con el mineral magnético (en la actualidad conocido como imán) quedaba magnetizado (imantado); el término español de imán procede de una palabra latina que significa "piedra dura". La brújula creada por la cultura china consistía en un trocito de caña conteniendo una aguja magnética que se hacía flotar sobre el agua, y así indicaba el Norte magnético, aunque esta brújula presentaba algunos problemas, lo anterior se debía a que requería estar en aguas calmadas. Aunque cabe destacar que los chinos nunca se sirvieron del imán para establecer el rumbo en la navegación. Los árabes pudieron aprender de los chinos aquel fenómeno llamado magnetismo, y tal vez algunos cruzados lo aprendieron a su vez de los árabes llegando así a Europa. Posteriormente los italianos perfeccionaron la brújula que los chinos habían empleado y Marco Polo fue el que la introdujo a Europa. [1]




El concepto de brújula esta compuesto por las palabras "buxula", que significa cajita hecha de boj o boxus, dicha cajita es un instrumento magnético que aparece descrito en La Divina Comedia de Dante, de la siguiente manera: "Los navegantes tienen una brújula que en el medio tiene enclavada con un perno, una ruedecilla de papel liviano que gira en torno de dicho perno; dicha ruedecilla tiene muchas puntas y una de ellas tiene pintada una estrella traspasada por una punta de aguja; cuando los navegantes desean ver dónde está la tramontana (Norte), marcan dicha punta con el imán". [2] En 1180, el sabio ingles Alexander Neckam (1157-1217) fue el primer europeo que hizo referencia a esa capacidad del magnetismo para señalar la dirección. Con el tiempo la aguja magnética se colocó sobre una tarjeta marcada con varias direcciones, la aguja se podía mover libremente en torno de la tarjeta; al dispositivo se le dio el nombre de Brújula, palabra que deriva de otra latina que significa caja. En la terminología marinera a la brújula se la llama compás (que proviene de una palabra francesa que significa girar). [3] En el año 1269, Pietro Peregrino de Maricourt, alquimista de la zona de Picardía, describió y dibujó en un documento, una brújula con aguja fija (cabe señalar que en esos momentos históricos no se había creado aún la rosa de los vientos). Algunos otros historiadores señalan que la primera brújula de navegación práctica fue inventada por un armero de Positano (Italia), Flavio Gioja, entre los siglos XIV y XV. Dicho armero fue quien la perfeccionó suspendiendo la aguja sobre una púa de forma similar a la que actualmente conserva y, la encerró en una cajita con tapa de vidrio. Años después apareció la "rosa de los vientos", que consistía en un disco con marcas de divisiones de grados y subdivisiones, que señalaba 32 direcciones celestes, esta fue la brújula marina que se utilizó hasta fines del siglo XIX. Posteriormente, el físico inglés Sir William Thomson (Lord Kevin) logró independizar la brújula del movimiento del barco durante tempestades y, anuló los efectos de las construcciones del barco sobre la brújula magnética, para esto, utilizó ocho hilos delgados de acero sujetos en la rosa de los vientos en lugar de una aguja pesada. Y era llenada con aceite para disminuir las oscilaciones. La brújula puede tener muchos usos, pero todos derivados del hecho de que su aguja imantada siempre apunta al Norte; aunque existe una contradicción un tanto lógica ya que, se ha estado mencionando que la aguja apunta directamente al Norte, lo cual es cierto, pero no apunta al polo Norte o verdadero sino al polo magnético. Lo antes mencionado se debe a que el diseño es para dirigirse a un lado de la estrella polar en la línea Norte-Sur que es en donde se ubica el polo magnético y esta dirección dependerá de donde esté ubicado quien esté haciendo esta observación; aún así el polo magnético siempre esta cambiando un poco, por tanto, el hallazgo del verdadero Norte dependerá también del momento en el que uno lo busque. 9 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



Por las razones antes mencionadas y para evitar esas complicaciones que se mencionaron, se creó una brújula que no estuviera sujeta a diversas variaciones y que no fuera magnética, que no necesitara correcciones, esto sucedió a inicios del siglo XX en el año de 1911, un inventor de nombre Elmer Sperry creó la brújula giroscópica también conocida como girocompás; dicha brújula giroscópica, consiste en un giroscopio, cuyo rotor gira alrededor de un eje horizontal paralelo al eje de rotación de la Tierra. Además se le han agregado dispositivos que corrigen la desviación, la velocidad y el rumbo; en los transatlánticos y buques suele estar conectado eléctricamente a un piloto automático. Dicho girocompás señala el Norte verdadero, mientras que la brújula magnética, señala el Norte magnético. Lo que se conocía tiempos atrás era que un elemento fino de hierro magnetizado señalaba hacia el Norte, con lo cual se concluye que lo que conocemos en la actualidad como magnetismo en esos tiempos ya eran conocidos sus efectos. En la actualidad, las brújulas de navegación utilizan una aguja o disco magnetizados dentro de una cápsula llena con algún líquido, generalmente es aceite, alcohol o queroseno (figura A.1); dicho fluido hace que la aguja se detenga rápidamente en vez de oscilar repetidamente alrededor del Norte magnético. Fue en 1936 que Tuomas Vohlonen inventó la primera brújula portátil llena de líquido, diseñada para uso individual. [4] Además, algunas brújulas incluyen un transportador incorporado que permiten tomar medidas exactas de rumbos directamente de un mapa. Otras características usuales en brújulas modernas son escalas para tomar medidas de distancias en mapas, marcas luminosas para usar la brújula en condiciones de poca luz y mecanismos ópticos de acercamiento y observación para tomar medidas de objetos lejanos con gran precisión.

Figura A. Brújula moderna con líquido




Hoy en día la tecnología y computación, además del avance satelital, han dejado muy de lado la brújula reemplazándola por el GPS (Sistema de Posicionamiento Global). Este sistema da las coordenadas exactas la cual se calcula mediante una triangulación que realizan satélites de este sistema. Los equipos de posicionamiento tienen el tamaño de un teléfono móvil, o el de una calculadora científica. Estos proveen al instante, en cualquier rincón de la Tierra, información de coordenadas, mientras que otros modelos adicionan mapas de la zona que incluyen rutas, gasolineras, puestos sanitarios, y hasta el relieve u hostelería. En estas épocas toda nave o embarcación, equipo civil o militar puede estar al alcance de estos equipos. Sin embargo, barcos y aviones siguen llevando brújulas mejoradas que pueden servir como guía ante desperfectos en sistemas más precisos. BIBLIOGRAFÍA [1] Nueva Enciclopedia Temática, Tomo 6. Editorial Richards S.A. México, 1972. Págs. 465-469 REFERENCIAS [2] http://www.educar.org/inventos/brujula.asp [3] http://www.monografias.com/trabajos37/brujula/brujula.shtml [4] http://es.wikipedia.org/wiki/Br%C3%BAjula




PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La tecnología actual ha dejado muy rezagada a las brújulas reemplazándola por el GPS (Sistema de Posicionamiento Global), ya que cuenta con un sistema de coordenadas mas exactas que realizan los satélites; pero estos aparatos aparte de ser muy exactos son muy caros y de difícil acceso. En México, las aplicaciones de instrumentos electrónicos de posicionamiento son usados solamente para el rastreo y recuperación de vehículos robados. En países más desarrollados ocupan esta tecnología GPS al máximo. Los navíos y algunos otros transportes marítimos y aéreos tienen y requieren de brújulas para saber hacia donde se dirigen ya sea para el norte, sur o algún otro punto que nos marca la rosa de los vientos; esto es por máxima seguridad ya que si hubiese un desperfecto en el sistema de posicionamiento global (GPS) aclarando que no todo es 100 % confiable y se correría el riesgo de que ocurrieran muchos accidentes. Por todo lo anterior, se pretende realizar un sistema de orientación (brújula electrónica) que permita tener un margen de error muy pequeño y que su precisión sea mayor comparándola con una brújula ordinaria actual.

OBJETIVO Mediante el uso de tecnología de bajo consumo, diseñar y construir una brújula electrónica digital para transporte aéreo, terrestre o marítimo o de uso personal de bajo costo y, que esta despliegue la información en una pantalla de LCD indicando los grados con una precisión mayor a las brújulas actuales ordinarias.

OBJETIVOS PARTICULARES •

Mediante el uso de un microcontrolador de bajo consumo de alta tecnología comercial, desarrollar una brújula de orientación para la industria, comercio, uso personal y transporte a un bajo costo.

•

Dar a conocer nuevas tecnologías que no se encuentran en México como lo es el microcontrolador MSP430F1232, que es de bajo consumo y que cuenta con muchas ventajas en comparación de los microcontroladores que se encuentran en México en la actualidad.

•

Desarrollar y construir un sistema de orientación que, instalado en un automóvil permita ir a una dirección con mayor precisión y exactitud que con una brújula ordinaria actual.




JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA En México existe una falta de servicios de sistemas de orientación y posicionamiento, además de no contar con mucha tecnología de bajo consumo de energía, es por ello que se diseñó y se construyó un prototipo capaz de obtener la dirección más precisa y exacta que una brújula ordinaria y, que el costo no sea tanto como es la tecnología de Sistema de Posicionamiento Global (GPS), pudiendo ser de emergencia donde ya se cuenta con esta como en los aviones o barcos para reafirmar la dirección. La brújula desarrollada trata de ser lo más exacta posible, por lo tanto se hace uso de la brújula digital CMPS03, dicha brújula digital contiene dos sensores magnéticos KMZ51 lo suficientemente sensibles para detectar el campo magnético; el campo magnético mencionado es conocido como Norte magnético; además de que cuenta con un amplificador LMC6041 el cual por sus características de fabricación se es uno de los mejores del mercado. Cuenta además con un microcontrolador PIC18F2321 que hace la conversión del acimut medido a un ancho de pulso. También se le hace una interfaz con el microcontrolador de bajo consumo como es el MSP430F1232 y este da a conocer las ventajas como lo es el ahorro de energía.

ANÁLISIS Y ALCANCE Se pretende diseñar y construir una brújula electrónica que sea lo mas precisa y exacta a lo que pudiera ser la tecnología GPS, que muestre los grados en una pantalla de LCD con muy poca variación a comparación de lo que son las brújulas ordinarias. El microcontrolador (MSP430F1232) de bajo consumo hace que pueda tener una batería con un tiempo de vida mayor. Se podría añadir una interfaz para comunicarse con otros dispositivos electrónicos. Una opción sería la comunicación con la PC para visualizar en la pantalla los ángulos respecto al Norte, además de poder realizar un programa con el cual se pueda tener acceso a las instrucciones de un barco y le de la ruta, controle la velocidad, las direcciones que debe recorrer y los ángulos a los que debe dirigirse para hacer un control automático por ejemplo, solo por mencionar algunas ventajas de este sistema.




PRÓLOGO: El presente trabajo tiene como finalidad, explicar lo que es una brújula electrónica, mencionado sus características y cosas que deben ser consideradas para que sea lo más precisa y exacta en comparación a las brújulas ordinarias que conocemos. Además de indicar aplicaciones que se pueden llevar a cabo. Este trabajo está organizado de la siguiente forma: En el Capítulo 1 se establecen los Conceptos y Funciones Generales de la Brújula y del Microcontrolador MSP430 (MSP430F1232). Además se habla del software que se requiere para simular y programar el microcontrolador. Este sirve de marco teórico para el lector. En el Capítulo 2 se habla del sensor KMZ51 de la marca Philips para una Brújula Electrónica, indicando los bloques del funcionamiento de una brújula electrónica, las características, los errores y ejemplo de aplicaciones. En el Capítulo 3 se establecen las características, funcionamiento y calibración de la Brújula Digital (CMPS03) y dando descripción general de cada uno de sus componentes. En el Capítulo 4 se tratan las pruebas realizadas al sensor CMPS03, el armado del circuito y la programación del microcontrolador MSP430F1232, los diagramas de flujo del programa que ejecuta el microcontrolador; además de verificar el correcto funcionamiento de la brújula electrónica.




CAPÍTULO 1 CONCEPTOS Y FUNCIONES BÁSICAS GENERALES DE LA BRÚJULA, MICROCONTROLADOR MSP430 (MSP430F1232) INTRODUCCIÓN En el capitulo se abarcan conceptos importantes de una brújula, las formas de orientación con que se cuentan. También cuenta con una explicación breve del microcontrolador MSP430F1232 de bajo consumo con el cual se va ha lograr medir el ancho de pulso en la salida de la brújula digital (CMPS03) y, el despliegue en números decimales del ángulo con respecto al norte en la pantalla de LCD por medio de su programación, también se trata acerca del software IAR Embedded Workbench que es el software para programar nuestro microcontrolador; dicho lo anterior se llevará a cabo lo siguiente: • Describir las funciones y conceptos con los que cuenta una brújula. • Explicar las características del Microcontrolador MSP430F1232. • Comentar sobre el software IAR Embedded Workbench para la programación del microcontrolador. 1.1 CONCEPTO Y FUNCIONES BÁSICAS GENERALES DE LA BRÚJULA La brújula es el instrumento utilizado para la determinación del Norte magnético de la Tierra y por tanto, para la determinación de cualquier dirección con relación a ésta. En su forma básica consiste en una aguja magnetizada sujeta en su punto central y con posibilidad de giro sobre una rosa de direcciones. [1] En orientación su uso se limita a lo más simple, orientar el mapa correctamente, identificar nuestra posición y, darnos una dirección de viaje o rumbo a un punto de referencia. Todos saben que un fragmento de hierro, cerca de una aguja magnética, desviará la aguja del verdadero norte hasta cierto punto, según las dimensiones del fragmento y su proximidad a la aguja. Se debe de tomar en cuenta ciertos cuidados en la construcción de los barcos o de los lugares en donde se dispondrá la brújula para evitar esas desviaciones. Es preciso recordar que el Norte o polo magnético y el Norte geográfico no coinciden con exactitud, estando este último a la derecha del primero, por lo que se debe tener en cuenta esta variación cuando se calcule un rumbo muy preciso. La brújula se puede utilizar con o sin mapa, aunque con éste las posibilidades de orientación aumentan considerablemente. 15 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



Los mapas están orientados al Norte y la brújula indica siempre el Norte magnético, lo que se debe hacer es hacer coincidir el Norte de la brújula con el del mapa, para ello se coloca la brújula sobre el mapa y se gira a ambos hasta que la aguja sea paralela al Norte del mapa. Una vez orientado no será difícil identificar nuestra ubicación localizando en el mapa aquellos elementos del paisaje que aparecen ante nuestra vista. Las brújulas constan de tres elementos fundamentales: * La aguja imantada: suele ser de acero y va montada libremente en el limbo señalando una de sus puntas siempre al Norte magnético, si se coloca la brújula cerca de objetos metálicos o fuentes de electricidad pueden modificar o alterar su comportamiento. * El limbo o esfera graduada: es el círculo donde gira la aguja de la brújula. El sistema habitual de graduación es el sexagesimal que divide el círculo en 360 grados; el limbo puede ser fijo y moviéndose sólo la aguja, o flotante siendo solidarios el limbo y la aguja. * La caja o chasis es la estructura donde se aloja los dos elementos anteriores y el resto de elementos si los hubiera, su diseño depende del tipo de brújula. Además de estos elementos, algunas brújulas más completas poseen además de la aguja imantada, el limbo y la caja, un clicómetro con el cual se puede ubicar el norte real con solo girar varias veces el mismo debido a que cada clic establece una diferencia de tres grados, un escalímetro que es utilizado para realizar mapas topográficos y en el cual se encuentran marcadas las escalas en metros, pelo de azimut que sirve para enfocar objetos a distancia y obtener con el mismo su posición en grados, ranura de azimut que contiene el pelo de azimut es en la que se visualiza el objeto destinado a enfocar. Para determinar una dirección entre el punto donde estamos y el punto donde queremos ir, seguiremos tres pasos: a) Colocamos la brújula sobre el mapa con uno de los cantos más largos de la brújula o una línea de dirección uniendo los dos puntos. b) Giramos el limbo hasta que las líneas Norte-Sur de su interior sean paralelas a las líneas Norte-Sur del mapa. La flecha Norte de la brújula debe ser paralela y apuntar al Norte del mapa, sino la dirección sería contraria. c) Levantamos la brújula del mapa y la mantenemos en la mano, nivelada horizontalmente. Giramos sobre nosotros mismos hasta que el Norte de la aguja magnética coincida con la flecha Norte de la brújula. La dirección a seguir nos vendrá marcada por la flecha de dirección. 16 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



Además, se debe tomar en cuenta la definición de mapa topográfico y de la escala que tiene dicho mapa. Un mapa topográfico es una representación aérea a escala de un determinado terreno, para esto, se necesita una simbología que es sobrepuesta en el mapa para resaltar algunos puntos importantes que se encuentran dentro del terreno. Los desniveles, que son muy importantes para hacerse una idea de la superficie del terreno, etc. Lo anterior debido a que se debe saber sobre que y como se debe usar una brújula y un mapa para saber la localización de algún punto de ubicación. Una escala es la representación en mayor o menor tamaño de un objeto (figura 1), puede ser en la representación en menor tamaño de las distancias que existen entre ciudades, pueblos o simplemente dos lugares. Los mapas también traen una serie de símbolos que representan, por ejemplo: hospitales, hoteles, carreteras, ríos, zonas verdes, etc. Para poder entender estos símbolos, los mapas contienen una leyenda que explica cada símbolo y color.

Figura 1. Gráfica de escala 1.2 ROSA DE LOS VIENTOS, ROSA NÁUTICA O COMPÁS MARINO La rosa de los vientos (figura 2), rosa náutica o compás marino, no es más que la representación de las direcciones o rumbos horizontales contenidos en la brújula.

Figura 2 Rosa de los vientos 17 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



De sus puntos principales se derivan los puntos laterales (NE, SE, etc.), los puntos bilaterales (NNE, SSE, OSO, etc.) y para finalizar los puntos cuarta (N, NE, S, SO, E, SE, etc.). Cada uno de estos 32 puntos posee una diferencia de 11.25° entre si y en su totalidad suman 360°. [2] Algunos de estos puntos por el hecho de ser principales reciben diferentes calificativos los cuales se presentan a continuación:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

PUNTOS CARDINALES DE LA ROSA DE LOS VIENTOS NNE Nornordeste 22,50º NE Noreste 45,00º Gregal ENE Este-noreste 67,50º E Este 90,00º Levante ESE Este-sureste 112,50º SE Sureste 135,00º Siroco SSE Sur-sureste 157,00º S Sur 180,00º Abajo (Mediodía) SSW Sur-suroeste 202,50º SW Suroeste 225,00º brego

11

WSW

Oeste-suroeste 247,50º

12

W

13

WNW

Oeste-noroeste 292,50º

14 15 16

NW NNW N

Noroeste 315,00º Nornoroeste 337,50º Norte 360,00º Tabla 1 Puntos cardinales

Oeste

270,00º

Poniente

Mistral “Port” (Tramontana)

1.3 FORMAS DE ORIENTACIÓN El Sol Si no disponemos de brújula ni de mapa, siempre se tiene al Sol para orientarse. El Sol sale por el Este (Levante), está al Sur al mediodía (12 hrs.) y se mete por el Oeste (Poniente). 18 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



Conviene recordar que la hora oficial no coincide con la solar; en invierno el mediodía solar se corresponde a las 13 horas y en verano a las 14 horas. El único punto fijo de referencia del Sol a lo largo de todo el año es el mediodía (Sur) pero hay que saber que el mediodía solar es cuando el Sol pasa por el meridiano que rige la hora en cada país. Las Estrellas Más específicamente con la estrella polar, la cual era punto de referencia para los navegantes de hace mucho tiempo, la utilizaban para orientarse y seguir en el rumbo correcto. A pesar que existen diversas formas de ubicación con las estrellas a través de las diferentes constelaciones, la estrella polar es la más utilizada debido a que nunca se mueve y su posición es siempre con respecto al norte. Las Nubes Las nubes siguen un rumbo continuo de Norte a Sur, si observamos detenidamente podemos darnos cuenta que esta teoría es cierta y puede ser útil en diferentes situaciones. El viento El viento sigue un rumbo que va de Norte a Sur, por lo tanto; si colocamos un poco de polvo en nuestra mano y luego lo dejamos caer podremos notar que la dirección que toma el mismo es al Sur; este método no es exacto debido a los continuos cambios que sufre la naturaleza, por ello, en ocasiones podemos ver que su rumbo es un poco al Suroeste. 1.4 CAMPO MAGNÉTICO DE LA TIERRA El campo magnético de la Tierra es la cantidad física a ser evaluada por una brújula. Así, que es requerida la comprensión de sus propiedades básicas del campo magnético de la Tierra para diseñar una brújula. La figura 3 da una ilustración de la forma del campo magnético de la Tierra.




Figura 3 Campo magnético de la Tierra 1.5 BALANCEO DE UNA BRÚJULA Debido a que la inclinación e intensidad del campo magnético terrestre varía a diferentes latitudes, las brújulas generalmente son balanceadas durante su fabricación. Este balanceo previene medidas erróneas de la brújula debido a las mencionadas variaciones de campo magnético. La mayoría de fabricantes balancean sus brújulas para una de cinco zonas terrestres, que van desde la zona 1, que cubre la mayor parte del Hemisferio Norte, hasta la zona 5, que cubre Australia y los océanos del Sur. [3] 1.5.1 REPRESENTACION DE PAÍSES DE CADA ZONA • • • • •

Zona 1: Hemisferio Norte (Estados Unidos, Norte de Europa y Asia). Zona 2: México, América central, Panamá, Colombia, Venezuela, Norte de África. Zona 3: Perú, Bolivia, Brasil, África central. Zona 4: Paraguay, Uruguay, Sur de Argentina, Nueva Guinea, Sur de África. Zona 5: Australia, Antártica, Nueva Zelanda.

Figura 4 Mapa con zonas terrestres 20 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



1.6 MICROCONTROLADOR MSP430 La familia de Texas Instrument MSP430 de 16 bits es de bajo consumo, reúnen muchas ventajas en las que destacan: • • • • • •

La de ser microcontroladores medianamente rápidos al funcionar hasta 8 MHz. Alto desempeño análogo, ideal para soportar aplicaciones de medición precisas (instrumentación). Arquitectura Von Newmann 16bit RISC, que posibilita nuevas aplicaciones a una fracción de código. La de contar con accesible precio en comparación a otras marcas. Periféricos integrados tales como conversores analógicos/digitales, comparadores análogicos. Lo más importante es su bajo consumo: − En modo a ctivo con 3 Volts de alimentación: 350 uA. − En modo standby: 0.7 μA. − En modo apagado (retención de RAM): 0.1 μA.

Esta ultima ventaja hace que se pueda hacer un dispositivo portátil y, que se este ejecutando el microcontrolador sin consumirse casi nada de nuestra batería, pudiendo llegar a más de 1 año la duración de la pila dependiendo del uso que se le aplique al dispositivo. Además de todas estas ventajas, hay que mencionara su manejo rápido del convertidor A/D más el multiplexor de 8 entradas. [4] 1.6.1 DESCRIPCIÓN La familia de Texas Instruments MSP430 de los microcontroladores de ultrabajo consumo, consiste en varios dispositivos que ofrecen diversos sistemas de periférico para varios usos. La arquitectura, combinada con cinco modos de bajo consumo de energía se optimiza para alcanzar una vida larga de la batería en usos portátiles. El dispositivo ofrece una CPU 16-bit de gran alcance del RISC, registros 16-bit, y los generadores constantes que atribuyen a la eficacia máxima del código. El oscilador digital controlado (DCO) permite que el modo dormido pase al modo activo en menos de 6us. Los MSP430x12x2 son microcontroladores que tienen incorporado un contador de tiempo 16-bit, un convertidor analógico/digital de 10 bits con el regulador integrado de la transferencia de la referencia y de datos (DTC) y veintidós pines de entrada/salida. Además, tienen protocolos asincrónicos (UART) y síncronos incorporados (SPI) para la comunicación.




1.6.2 CARACTERÍSTICAS DEL MSP430F1232 • •

Voltaje de alimentación en el rango de 1.8 V a 3.6 V. Bajo consumo: − En modo activo: 200 μA a 1 MHz, con 2.2 V de alimentaci ón. − En modo standby: 0.7 μA. − En modo apagado (retención de RAM): 0.1 μA.

• • • • •

Cinco modos de ahorro de energía. Tiempo de reacción del modo dormido a estado activo, menos de 6 us. Arquitectura de 16-Bit RISC. Duración de ciclo de la instrucción de 125 ns. Configuraciones básicas del reloj: − Varios resistores internos. − Resistor externo. − Cristal de 32 KHz. y cristal de alta frecuencia. − Resonador. − Fuente externa de reloj.

16-Bit Timer_A con tres registros de captura/comparación. 10-Bit Convertidor A/D con referencia interna y regulador de datos. Interfaz de comunicaciones serial (USART0) con el UART asincrónico y SPI síncrono. • El MSP430F1232 (figura 5): 8KB + 256B Memoria Flash 256B RAM. • •

Figura 5 Pines del MSP430F1232 El microcontrolador MSP430F1232 cuenta con tres puertos, donde en el puerto tres se puede usar cualquier interfaz de comunicaciones como la serial (USART0), el UART asincrónico y el SPI síncrono. A continuación en la figura 6 se muestra el diagrama a bloques del microcontrolador MSP430F1232. 22 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



Figura 6 Diagrama a bloques del MSP430F1232 1.6.3 APLICACIONES CON EL MICROCONTROLADOR MSP430F1232 * Reloj: Mantiene la hora en una gran placa que gestiona un display LCD y una matriz de teclas de membrana. El dispositivo se comunica con 3 hilos y un protocolo desarrollado para la aplicación. * Generador/Detector de tonos de prueba: Se utilizan diversos recursos dentro del microcontrolador para generar dos señales cuadradas estables. Por un lado se aprovechan los divisores internos del oscilador maestro para sacar a un pin un tono de 1MHz; por otro lado, aprovechado el temporizador de 16 bits se genera automáticamente otro tono de 1KHz. Estas dos señales se filtran y suman para pasar a un amplificador que adapta el nivel de impedancia al de la línea telefónica. Al mismo tiempo, se utiliza la función de captura de pulsos para medir en dos de sus pines la llegada de cada uno de los tonos, después de haber pasado sendas etapas de filtrado y acondicionamiento de nivel en recepción. El resultado de la detección se presenta en dos leds.




1.7 SISTEMA IAR IAR Systems (figura 7) proporciona una gama de herramientas de desarrollo para sistemas empotrados: los entornos de desarrollo integrado (IDE) con C/C++ compiladores y depuradores, kits de desarrollo, equipo de depuración sondas y herramientas de diseño de máquina de estados. La línea de productos apoya al 8051, ARM, MSP430 y otros más. [5]

Figura 7 Producto IAR system 1.7.1 FAMILIAS COMPATIBLES CON IAR SYSTEM -Dispositivos de 32 bits * ARM7 * AVR32 * NEC V850 * Renesas M32C * Microchip DSPIC -Dispositivos de 16 bits * HC12 * PIC24 * MSP430 -Dispositivos de 8 bits * 8051 * Atmel * MCS51 * Samsung SAM8




1.7.2 SOFTWARE IAR EMBEDDED WORKBENCH IAR Embedded Workbench es un conjunto de herramientas de desarrollo para la creación y depuración de aplicaciones que usen ensamblador, C y C++. El entorno de desarrollo integrado que IAR Embedded Workbench proporciona un completo desarrollo integrado entre ellos un jefe de proyecto, redactor, compilador, herramientas de construcción. Aquí en este software se puede simular dentro del programa o en el hardware en tiempo real lo programado y realizar reprogramaciones sin desconectarlo del hardware [6] BIBLIOGRAFIA [1] Nueva enciclopedia Temática, Tomo 6. Editorial Richards S.A. México, 1972. Págs. 465-469 REFERENCIAS [2] http://www.paranauticos.com/Notas/Tecnicas/magnetismo/Magnetismo-1.htm [3] http://es.wikipedia.org/wiki/Br%C3%BAjula [4] http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/msp430f1232.pdf [5] http://www.iar.com [6] http://www.iar.com/ew




CAPÍTULO 2 SENSOR KMZ51 PARA UNA BRÚJULA ELECTRÓNICA INTRODUCCIÓN En este capítulo se presenta una descripción completa del sensor KMZ51 para una brújula electrónica, ya que este es uno de los sensores que más se ocupan para este tipo de aplicaciones de orientación. Además muestra los bloques que lleva una brújula electrónica y las consideraciones que se deben tomar para la elaboración de esta misma. Por lo que se llevará a cabo lo siguiente: • • •

Describir el sensor KMZ51 detalladamente. Describir los bloques de una brújula electrónica. Describir los factores y consideraciones para la elaboración de una brújula electrónica. En el capitulo 3 se hablará particularmente de la brújula digital CMPS03.

2.1 BLOQUES DE LA BRÚJULA ELECTRÓNICA En la figura 8 se muestra un diagrama de bloques del funcionamiento de la brújula electrónica. Se presentan los bloques principales de cualquier brújula electrónica, los bloques funcionales exceptuando el sensor del campo KMZ52 o dos KMZ51 perpendiculares entre si, puede comprenderse como el hardware o como el software.

Figura 8 Diagrama a bloques de una brújula electrónica 26 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



2.2 CONCEPTOS GENERALES DEL SENSOR KMZ51 La brújula magnética es una herramienta de navegación muy importante y crucial, incluso en estos tiempos como lo es el sistema de posicionamiento global (GPS). Reemplazando la brújula de aguja magnética, la incorporación de una brújula electrónica produce ventajas como mayor manejo de interpretación y la facilidad de comunicarse con otros sistemas electrónicos, por ejemplo con una PC. El KMZ51 y KMZ52 de los Semiconductores de Philips son los sensores del campo magnético, especializados para las aplicaciones de brújulas. Ambos sensores confían en el efecto de magneto-resistivo, proporcionan la sensibilidad y linealidad requerida para medir el débil campo magnético de la Tierra. [1] Mientras el KMZ51 es un solo sensor para un eje del campo, el KMZ52 comprende un sensor del campo bidimensional, es decir, para que fuera bidimensional con el sensor KMZ51 se requiere colocar dos de forma perpendicular cada uno para que cubran los 2 ejes. Ambos dispositivos tienen integrado el circuito de ajuste-reajuste y una bobina de compensación, estas bobinas permiten aplicar la técnica para la cancelación de compensación y la retroalimentación electromagnética para la eliminación de la sensibilidad con la temperatura. Para los sensores del campo magnético dentro de la brújula electrónica, la magnetoresistividad (MR) es la solución preferible. Esta tecnología de MR ofrece una solución efectiva, no requiere hacer o enrollar ninguna bobina y puede fabricarse en un circuito integrado. Además, los sensores de MR son también superiores a los sensores de efecto Hall en esta aplicación debido a su mayor sensibilidad. Además de los elementos del sensor, se requiere una señal acondicionada y una unidad de dirección fija como es el Norte magnético. Las funciones principales de la señal acondicionada es la amplificación a la salida del sensor y tener la referencia específica. En la determinación de la dirección, el acimut se deriva como la cantidad de rendimiento de la brújula deseada. La unidad determinada de dirección (UDD) es el Norte magnético. El acimut es el ángulo entre el Norte magnético y la dirección que se este indicando. Para las brújulas de alta definición, este cálculo tiene que ser hecho matemáticamente aplicando el arctan de la proporción de las 2 señales, el Norte magnético y la señal del sensor. Para las brújulas ordinarias más simples solo usan 8 segmentos que indican el punto cardinal más cercano o punto intermedio (N, NE, E, SE, S, SW, W, NW). También se explicará sobre la calibración de las brújulas electrónicas contra las fuentes de error externas como los campos de interferencia magnéticos, la desviación entre el Norte verdadero y el magnético. 27 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



La fuerza del campo magnético de la Tierra varía con la ubicación y cubre el rango de aproximadamente 20 a 50 A/m. Una comprensión de la forma del campo magnético de la Tierra puede adquirirlo si se asume que es generado por un imán y una barra magnética dentro de la Tierra como se observó en la figura 3. Las líneas del campo magnético apuntan del Polo Sur de la Tierra a su Polo Norte. La figura 3 indica que esto está opuesto a la convención física de los polos de cualquier imán de barra magnética (las condiciones son históricas, en las que el polo Norte de una barra magnética ha sido definido como ese polo, eso apunta hacia el Norte en el campo magnético de la Tierra). Las líneas del campo son perpendiculares a la superficie de la Tierra en los polos y paralelas en el ecuador. Por lo tanto, el campo de la Tierra apunta hacia abajo en el hemisferio Norte y para arriba en el hemisferio Sur. Un factor importante es que los polos magnéticos no coinciden con los polos geográficos, que son definidos por el eje de rotación de la Tierra. El ángulo entre el eje magnético y el de rotación es de aproximadamente 11.5°. Como consecuencia, las líneas del campo magnético no señalan exactamente al Norte verdadero o geográfico. La figura 9 muestra una representación en 3D del vector del campo de la Tierra (He) a algún punto en la Tierra. Esta figura permite definir las cantidades que son de importancia para una brújula. Las coordenadas “x” y las coordenadas “y” son paralelas a la superficie de la Tierra considerando que la coordenada Z apunta verticalmente hacia abajo. Acimut α Acimut es el ángulo entre el Norte magnético y la dirección frontal (Hex). El Norte magnético es la dirección de Heh, los campos de la Tierra presentan el componente perpendicular a la gravedad. Tenemos que Heh se referirá al componente "horizontal" del campo de la Tierra. La figura 9 muestra lo siguiente:  = arctan α

Hey Hex

(1 )

El acimut es la cantidad de lectura de una brújula. El ángulo α se cuenta en el sentido de las agujas del reloj del Norte magnético, es decir el norte es 0° = 360°, el Este es 90°, el Sur es 180° y el Oeste es 270°. Inclinación δ Inclinación es el ángulo entre el vector de campo de la Tierra y el eje horizontal. Como ya se señaló, la inclinación varía con la situación real en la Tierra, mientras siendo cero en el ecuador y acercándose 90° cerca de los polos. Si la brújula es inclinada, entonces esta inclinación tiene que ser considerada. 28 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



Declinación λ Declinación es el ángulo entre el Norte geográfico o verdadero y el Norte magnético. La declinación es dependiente en la posición real en la Tierra; también tiene un término de tendencia larga. La declinación puede ser al Este o al Oeste y puede alcanzar valores de aproximadamente 25°. El acimut medido por una brújula tiene que ser corregido por la declinación para encontrar la dirección frontal (Hex) con respecto al norte geográfico.

Figura 9 Vector del campo de la Tierra en 3D 2.2.1 SENSORES DE CAMPO MAGNÉTICO Como ya se señaló anteriormente, la tarea de una brújula electrónica es la medición del acimut, es decir, el ángulo entre el Norte y la dirección frontal. Por consiguiente, las dos fuerzas horizontales del campo de la Tierra tienen que ser medidas: uno en el eje “x” y otro en el eje “y”; esto requiere de dos sensores de campo magnético, los dos alineados paralelamente a su eje y con un giro de 90 grados respecto a ellos mismos. El KMZ52 (2 KMZ51 girados 90 grados uno del otro) es un dispositivo que queda muy bien para esta aplicación, ya que tiene dos sensores de campo sumamente sensibles en la configuración requerida eje “x” y eje “y”. Además, el KMZ52 comprende para cada uno de sus sensores KMZ51 un circuito integrado de ajuste-reajuste y la bobina de compensación, así que, el KMZ52 hace obsoleto cualquier bobina externa. 29 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



2.2.2 SENSORES MAGNETO-RESISTIVOS (MR) PARA APLICACIONES DE UNA BRUJULA El efecto magneto-resistivo data de 1856, donde Thomson observó este efecto aunque no se encontró ninguna aplicación práctica. Posteriormente, con los semiconductores se empezó a utilizar como detectores de movimiento. La gama de sensores magnetoresistivos de Philips está caracterizada por su alta sensibilidad en la detección de los campos magnéticos en un amplio rango de temperatura de trabajo, con un ‘offset’ muy bajo y estable, y con una baja sensibilidad a la tensión mecánica. Por lo tanto, son un excelente medio de medida tanto en desplazamiento lineal como en angular bajo condiciones ambientales extremas en aplicaciones de automoción o maquinaria (ruedas dentadas, varillas de metal, entre otras). Otra aplicación de los sensores magnetoresistivos es la medición de velocidad rotacional. [3] Un ejemplo donde las propiedades de los sensores magneto-resistivos pueden ser útiles es en las aplicaciones de automoción como detección de velocidad de una rueda para el ABS, en sistemas de control de motores y en detectores de medición de la posición de un chasis, en la medición de posición de válvulas o de los pedales, etc. Otro ejemplo, es en la instrumentación y control de equipos, que frecuentemente requieren sensores de posición capaces de detectar desplazamientos en la región de las décimas de milímetro (o a veces menor) y en sistemas de ignición electrónica donde se tiene que poder determinar con gran precisión la posición angular de un motor de combustión. Debido a su alta sensibilidad los sensores magneto-resistivos pueden medir campos magnéticos muy débiles y son ideales para aplicaciones en brújulas electrónicas, corrección del campo de la Tierra y detección de tráfico. 2.2.3 ELEMENTO DEL SENSOR MAGNETO-RESISTIVO 2.2.3.1 EFECTO MAGNETO-RESISTIVO Los sensores magneto-resistivos (MR) usan el efecto magneto-resistivo, dicho efecto es la propiedad de una corriente transportando material magnético para cambiar su resistencia en la presencia de un campo magnético externo. La figura 10 muestra una barra de material ferromagnético llamado Permalloy (19% Fe, 81% Ni). [1]

Figura 10 Efecto magneto-resistivo en el Permalloy 30 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



Durante la exposición de la barra de Permalloy, se aplicó un fuerte campo magnético externo paralelo al eje de la barra; haciendo esto, se define la preferencia de la dirección de la magnetización dentro de la barra, en ausencia de cualquier campo magnético externo, la magnetización siempre apunta en esta dirección. En la figura 10 se asume en la dirección en “x”, la cual también es la dirección de flujo de la corriente. Ahora un sensor MR se basa en dos efectos básicos: •

La resistencia R de la barra depende del ángulo α entre la dirección de la corriente y la dirección del la magnetización.

•

La dirección de magnetización y, por lo tanto, α pueden ser influenciado por un campo magnético externo Hy, dónde Hy es paralelo al plano de la barra y perpendicular a la dirección deseada.

Cuando un campo magnético externo no esta presente, el Permalloy tiene un vector paralelo de magnetización interno a la dirección deseada, es decir, α= 0. En este caso, la resistencia R de la barra tiene su valor máximo Rmax. Si ahora un campo magnético externo Hy es aplicado, el vector interno del Permalloy rotará alrededor del ángulo α. En campos de fuerza grandes, la magnetización tiende a auto-alinearse paralelo a Hy y el ángulo de rotación α se acercará a los 90°. En este caso, la resistencia alcanza su valor mínimo Rmin. La ecuación a lado de la figura 10 da la dependencia funcional entre R y α, dónde Ro = Rmin y R = (Rmax-Rmin). La función de R y α, donde Ro=Rmin y ∆R= (Rmax-Rmin). Finalmente, la función de R en contra Hy es como sigue:

La figura 11 muestra un diagrama para la ecuación (2), en donde, Ho es un parámetro que depende del material y geometría de la barra. La ecuación (2) está definida por las magnitudes del campo de fuerza de Hy Ho, R es igual a Ro. Ro y ∆R son parámetros del material también. Para el Permalloy, ∆R está en el rango de 2 a 3% de Ro. 2.2.3.2 OPTIMIZACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DEL SENSOR UTILIZANDO ESTRUCTURAS “BARBE POLE” La figura 11a ilustra la característica del sensor de acuerdo con la ecuación (2). Para magnitudes pequeñas de Hy, la sensibilidad es muy baja y no lineal. Además, ésta característica no permite detectar, si Hy es positivo o negativo. Por lo tanto, la estructura básica del sensor de la figura 10 tiene que mejorarse para aplicaciones de una brújula.




Las mejorías deseadas del sensor pueden ser alcanzadas depositando tiras de aluminio (llamado barber pole) encima de la barra de Permalloy en un ángulo de 45 grados al eje de la barra. La figura 12 demuestra el principio. Como el aluminio tiene una conductividad mayor al Permalloy, el efecto del “barber pole” es la de rotar la dirección de la corriente en 45 grados, cambiando el ángulo entre la magnetización y la corriente eléctrica de α a (α-45°). La figura 11b muestra el impacto en la característica del sensor debido a la estructura del “barber pole”. Para campos débiles como el campo de la Tierra, la sensibilidad ahora es significativamente más alta, la característica es linealizarla y permitir detectar el signo de Hy.

Figura 11 a) Características de un sensor estándar R-H b) Características de sensores “Barber Pole”

Figura 12 Sensor “Barber Pole” 32 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



2.2.3.3 CONFIGURACIÓN PUENTE DE WHEATSTONE Prácticamente tiene sus ventajas el construir un sensor como un puente de Wheatstone, este consiste de 4 barras magneto resistente, como se muestra en la figura 13. Para sensores de brújulas, se ocupan estructuras barber pole, donde un par es orientada diagonalmente a +45 grados respecto al eje de la barra mientras que el otro par es orientado a -45 grados. Así, la variación de la resistencia ∆R debido a un campo magnético es convertido linealmente en una variación a la salida del voltaje diferencial ∆V= +Vo - (-Vo). Los coeficientes de la temperatura inherente de las cuatro resistencias del puente son compensados mutuamente.

Figura 13 Configuración puente de Wheatsone 2.2.4 BOBINAS DE AJUSTE/REAJUSTE Y DE COMPENSACIÓN Los sensores MR son por naturaleza biestables, por ejemplo: la dirección de su magnetización interna puede ser invertida o volteada. Esto se puede alcanzar mediante un campo magnético de fuerza suficiente, si ese campo es aplicado paralelamente a la magnetización pero teniendo diferente dirección (figura 14). La inversión causa un volteo de la característica del sensor, por lo que el voltaje de salida del sensor cambia de polaridad. Los sensores MR pueden ser estabilizados en contra de una inversión no deseada mediante la aplicación de un campo auxiliar magnético paralelo al eje de inversión. Este campo debe ser en pulsos como un campo permanente debilitará la sensibilidad. Al medir campos débiles, es hasta deseado el invertir la característica del sensor repetidamente; esto permite compensar la desviación del sensor en una forma comparable a la técnica de corte usada en la amplificación de señales eléctricas pequeñas. La bobina de ajuste/reajuste cerca del sensor es un medio para aplicar un campo auxiliar para la inversión. 33 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



En sistemas de brújulas de alta precisión, el sensor debe también permitir la compensación de cambio de sensibilidad con temperatura y compensar campos de interferencia. Los dos pueden realizarse por medio de un campo auxiliar en la dirección de la sensibilidad; esto puede ser generado mediante una bobina de compensación cerca del sensor.

Figura 14 Campos generados por la bobina de compensación y ajuste/reajuste Los sensores MR Philips dedicados para aplicaciones de brújulas están disponibles con bobinas de ajuste/reajuste y de compensación integrados, ahorrando el costo y esfuerzo adicional de proveer bobinas externas. Además, como las bobinas integradas pueden ser puestas más cerca del sensor, ellas requieren significantemente menos corriente para generar la fuerza del campo requerido. Esto reduce el gasto y por lo tanto el problema de la unidad de acondicionamiento de señal (UAS). 2.2.5 SENSORES DE MR MARCA PHILIPS PARA SISTEMAS DE BRÚJULAS Los semiconductores Philips ofrecen en este momento 2 productos de sensores, dedicados a este campo de aplicación. Ambos productos emplean la estructura “barber pole” con su linealidad inherente y alta sensibilidad. El dispositivo primario es el KMZ52, el cual comprende todos los elementos de un sistema sensor de brújula dentro de un solo paquete, es decir, dos sensores de campos débiles con 90 grados de desplazamiento, entre ellos cada uno teniendo una bobina de ajuste/reajuste y de compensación. El KMZ51 es un solo sensor con bobina de ajuste/reajuste y de compensación. Este puede ser empleado junto con el KMZ52 para formar un sensor tridimensional para compensar la inclinación. 34 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



La figura 15 muestra un diagrama de circuito simplificado del KMZ51 mostrando el Puente de Wheatsone así como la bobina de ajuste/reajuste y de compensación. La tabla 2 provee una vista general de los sensores para brújulas de la marca Philips.

Figura 15 Circuito integrado KMZ51

Tabla 2 Características de los sensores KMZ51 y KMZ52 2.3 UNIDAD DE ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL (UAS) El propósito de este bloque es entregar los voltajes del rendimiento proporcional a las fuerzas del campo Hex y Hey respectivamente. Por consiguiente, las señales entregadas por los sensores del campo magnéticos tienen que ser amplificados. También los desplazamientos tienen que ser eliminados. Más allá de eso, la amplificación de estas señales debe de ser exacta para permitir la compensación de diferencias de sensibilidad entre el eje x y el eje y de los sensores. El Acondicionamiento de la señal es la parte más importante y crucial de la exactitud de la brújula electrónica. 35 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



2.3.1 REQUERIMIENTOS El UAS consiste en 2 canales separados llenando la tarea básica de amplificar la salida de voltaje del sensor en sus campos “x” y “y”. Considerando un campo de fuerza mínimo de la Tierra en el plano del sensor de aproximadamente 15 A/m y una sensibilidad del sensor típica de 80 mV/(kA/m) (a Vcc = 5V, ver tabla 2), un sensor MR desarrollará una amplitud de aproximadamente 1.2 mV cuando se rote en ese campo. Por lo tanto, una ampliación significativa es requerida para que se pueda proveer un voltaje razonable para la etapa de determinación de dirección siguiente. Dependiendo del sistema de exactitud deseado, el UAS tiene que llenar hasta 3 requerimientos más. Estos son la eliminación de las siguientes fuentes de error: •

Diferencia de Voltajes Vox, Voy en la salida del UAS: Estos son causados por las diferencias de los elementos de los sensores y el amplificador conectado. La diferencia de los elementos del sensor aumenta debido al cambio de tolerancia y de temperatura de los 4 elementos magnetoresistivos, los cuales son ordenados como el puente Wheatstone. Así, la salida de voltaje del sensor se desvía de 0, si ningún campo magnético aplicado.

•

Diferencia de sensibilidad ∆S entre el canal “x” y canal “y” del UAS: Esto es debido al cambio de tolerancia y temperatura de las sensibilidades del sensor y de la amplificación siguiente.

•

La No Ortogonalidad β de los sensores: Debido al monto de las tolerancias, el desplazamiento angular real entre las desviaciones del sensor se desvía de los 90° deseados por un ángulo β.

La ecuación (3) indica el efecto de éstas fuentes de error en la lectura del acimut. Aquí se asume que la unidad determinadora de la dirección de la ecuación (1) es reemplazando Hey y Hex con el voltaje de salida respectivo al UAS Vy y Vx. Cuando cada salida de voltaje equivale al campo medido de la Tierra por el canal de sensibilidad más la desviación, la lectura del acimut es:  = arctan α

Vy Vx

= arctan

 +β  ) + Voy  S ) sin(α He ( S + ∆  + Vox He S cos α

(3 )

La ecuación (3) se convierte idéntica a la ecuación (1), es decir, el acimut real se deriva, si Vox, Voy, ∆S y β son eliminado. Los errores del acimut causados por las desviaciones, ∆S y β son funciones periódicas de α. Las amplitudes de estas funciones, por ejemplo: el error máximo del acimut, puede asumirse como proporcional a la magnitud de la respectiva fuente del error. 36 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



La tabla 3 establece las ecuaciones para estos errores de acimut juntas con la indicación de su valor máximo dependiendo de la fuente de error respectiva •

Error de desviación = 0.8°/% Por ejemplo: una desviación del radio de amplitud del 1% ocasiona un error máximo del acimut de 0.8 grados.

•

Error de Diferencia de Sensibilidad = 0.3°/%, Por ejemplo: un radio ∆S/S del 1% causa un error de 0.3 grados.

•

Error No Ortogonal = 1°/°, Por ejemplo: una desviación ortogonal de 1 grado entre los sensores causa un error máximo del acimut de 1 grado

Tabla 3 Métodos de calibración y sumario de errores 37 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



El KMZ52 esta especificado para tener un voltaje compensado de máximo + 1.5mV/V y un cambio de desviación de máximo +3uV/(V/K) (ver tabla 2). Por lo tanto, al suministro recomendado de 5V, la máxima variación del voltaje a 25°C es +7.5mV y para un rango de temperatura de 100°C es de 1.5mV. Comparando estos valores con la amplitud del voltaje que es del sensor 1.2mV se pone en evidencia, que el nivel de desviación y el cambio de variación de temperatura puede ser significativamente más alto que la señal deseada. Como consecuencia, una eficiente compensación de variación interna es crucial para cada sistema de brújulas, hasta para los productos de baja calidad. Para compensar las diferencias de sensibilidad ∆S, el UAS debería permitir recortar el voltaje de salida por amplitudes iguales cuando sean rotados en el campo de la Tierra. Si se desea alta precisión sobre un amplio rango de temperatura debe de implementarse una compensación automática del cambio de la sensibilidad de temperatura debe implementarse. El no-ortogonal máximo especificado para el KMZ52 es de dos grados, causando un error máximo de acimut de dos grados.; para aplicaciones donde esto no es suficiente. 2.3.2 COMPENSACIÓN DE VARIACIÓN Una técnica llamada inversión puede ser usada aquí, cuando el sensor biestable es sujeto a un campo magnético reversible en su dirección de inversión, su magnetización interna Mx y por lo tanto su característica Vo contra Hy es invertida tal como lo señala la figura 16. Si la inversión es hecha repetitivamente, el voltaje de salida deseado cambiará de polaridad parecida a una señal AC. Sin embargo, la variación del voltaje no cambia la polaridad así que es parecida a una señal variante de DC; esto permite compensar la variación del sensor por medio de la filtración del componente DC de su señal de salida invertida. Una rectificación subsecuente permite convertir la señal AC de regreso a la señal DC del sensor deseada.

Figura 16 Efecto de inversión en la característica del sensor 38 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



La figura 17 muestra el diagrama a bloques de un circuito de inversión. La inversión es generada mediante la aplicación alternante de pulsos de corriente positivo y negativo a la bobina ajuste/reajuste del sensor. Para evitar pérdida en sensibilidad, los pulsos de corriente deben ser cortos (alrededor de us). Después de una preamplificación, un filtro de pasa altas remueve la variación del sensor de la señal de salida invertida. Un rectificador sincronizado convierte la señal invertida a una señal DC, y esto ahora esta libre de variación. Una señal de reloj es requerida para controlar la fuente de inversión misma y el rectificador, el cual debe ser sincronizado con la inversión. La figura 18 muestra un diagrama de tiempo con las señales del circuito de inversión.

Figura 17 Diagrama a bloques del circuito de inversión

Figura 18 Diagrama de tiempo para circuito de inversión a) Vo del preamplificador. b) Vo del filtro. c) Vo del rectificador 39 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



El filtro y el rectificador sincronizado en la figura 17 pueden ser guardados, si un microcontrolador con un convertidor A/D esta disponible. En este caso, el voltaje de salida deseado (Vx,y) puede ser calculado de un voltaje de nivel alto Vp y el voltaje de bajo nivel Vn del sensor de la señal invertida y amplificada (ver figura 18a) como:

Asumiendo que la variación no varía rápidamente con el tiempo, la carga del microcontrolador puede ser reducida leyendo Vp y Vn solo después de intervalos de tiempo largo, para calcular y guardar la variación actual del voltaje Vo:

Para el cálculo del acimut, solo uno de los niveles de la señal del sensor invertido tiene que ser leído por el microcontrolador Vp:

2.3.3 COMPENSACIÓN DE LA DIFERENCIA DE SENSIBILIDAD ( ∆S) En una temperatura dada, ∆S puede ser compensada ajustando la UAS por unos voltajes de salida iguales Vy,pp y Vx,pp durante la rotación de la brújula. Los voltajes de salida pueden ser ecualizados ajustando la amplificación de un canal del UAS. Una solución alternativa mediante software sería corregir una salida de voltaje matemáticamente: como el radio Vy,pp/Vx,pp igual al radio de sensibilidad Sy/Sx = (S+ ∆S)/S, así que Vy puede ser corregido de la siguiente forma:

Para mantener una precisión alta sobre la temperatura, el cambio de temperatura de la sensibilidad del sensor debe ser compensada durante la operación. La figura 19 muestra la característica de salida Vo contra H de un elemento sensor típico MR en diferentes temperaturas. Todas estas curvas indican, que la salida del sensor es significativamente dependiente de la temperatura excepto en su punto 0 ya que un campo de fuerza 0 siempre causa un voltaje de salida de exactamente 0 independientemente de la temperatura. Por supuesto, esto solo es cierto descartando la variación del sensor. Sin embargo, la variación puede ser eliminada perfectamente mediante medios de la técnica de inversión, como ya se mencionó anteriormente.




Figura 19 Salida característica típica de un sensor MR Así, el cambio de temperatura puede ser compensada operando los sensores en su punto 0. Por lo tanto, el componente del campo de la Tierra en cada sensor tiene que ser compensado por un campo opuesto de igual fuerza. Si ahora la magnitud y polaridad de este campo compensado son conocidas, la tarea de medición esta hecha, aunque el sensor tenga una señal de salida de 0, a éste método se le conoce como retroalimentación electromagnética. Prácticamente, el campo de compensación puede ser generado aplicando una corriente a través de una bobina apropiada cerca del sensor tal como ha sido señalado, los sensores MR de Philips para aplicaciones de brújulas vienen con una bobina de compensación integrada, dejando aplicar el método de retroalimentación electromagnética sin la necesidad de ninguna bobina externa. Debido a la buena definición del factor del campo de estas bobinas integradas de compensación, hay una bien definida proporcionalidad entre el campo de fuerza a ser medido y corriente de compensación. La figura 20 muestra un diagrama a bloques para un canal UAS empleando la inversión y la retroalimentación electromagnética. El circuito de retroalimentación electromagnética es un controlador de aro cerrado, en la cual un regulador de corriente alimenta la bobina de compensación para mantener el voltaje de salida del sensor en 0. 41 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



Para alcanzar el voltaje de salida del sensor de exactamente 0, un regulador de corriente con características integrales es requerido. La medición del campo de fuerza puede ser representada como voltaje, proporcional a la corriente de compensación.

Figura 20 Diagrama a bloques del circuito de compensación de inversión y retroalimentación electromagnética 2.3.4 COMPENSACION NO-ORTOGONAL Se ha asumido que los dos sensores del campo magnético están desplazados en un ángulo exactamente de 90º grados. Sin embargo, en la práctica el desplazamiento se desviará en un ángulo β de la ortogonalidad deseada debido a tolerancias montadas. Esta desviación causa un error en la lectura de la brújula, lo cual es una función periódica del acimut (ver tabla 3). El error máximo es aproximadamente igual al de no ortogonal β. Si se desea una precisión más alta, el ángulo β debe ser compensado, si la brújula es rotada con respecto al campo de la Tierra, entonces el cambio de la fase Vx y Vy es 90 grados + β. Teniendo determinado el ángulo β, el error puede ser eliminado matemáticamente de la siguiente forma: Asumiendo que la UAS entrega las señales Vy= Vmax*sin( α+ β); Vx= Vmax*cosα y donde α es el acimut, que es deseada una señal correcta Vy corregida= Vmax*sin α y usando las relaciones trigonométricas sin( α+β)= sinα*cosβ+cosα*sinβ, la Vy corregida es:




2.3.5 CIRCUITO DISEÑADO La figura 21 muestra un circuito para un canal UAS (es decir, la dirección del campo Hx o Hy), incluyendo preamplificación, compensación del desvió mediante la inversión y la compensación de temperatura de sensibilidad mediante la retroalimentación electromagnética.

Figura 21 Circuito acondicionado de señal para un sensor Este diagrama lo utiliza cualquier sistema para una brújula, donde se observa la preamplificación del sensor para cualquier campo, la bobina de compensación, el generador de inversión, entre otras más.




2.3.6 UAS CON MICROCONTROLADOR La figura 22 muestra un diagrama a bloques para una UAS usando un microcontrolador. De la circuitería analógica mostrada en la figura 21, sólo la bobina invertida, la preamplificación y la opción de las bobinas de compensación son requeridas. Las señales del sensor invertidas son mandadas vía un convertidor analógico/digital. Debe ser considerado, que la resolución de esta conversión debe ser más alta que la exactitud de la brújula al final. Principalmente, las mismas consideraciones son válidas para el convertidor digital/analógico manejando la bobina de compensación. Para una brújula ordinaria o de bajo fin dónde la exactitud no es crítica, el convertidor analógico/digital puede ser de 8 bits que aparte es económico y sería suficiente, pero si se requiere que sea más exacto y preciso, un convertidor A/D con una resolución más alta es la solución. La compensación de variación puede ser implementada por software, más allá los rasgos del software optativos podrían ser un algoritmo del mando para retroalimentación electromagnética o compensación no ortogonal. El software del microcontrolador realizará también la determinación de la dirección y de tareas optativas, como la calibración del campo de interferencia o la calibración del Norte verdadero.

Figura 22 Señal acondicionada a un microcontrolador 44 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



2.4 UNIDAD DE DETERMINACIÓN DE DIRECCIÓN (DDU) La función de este bloque es derivar la información del acimut deseada de las fuerzas del campo moderadas Hey y Hex. Para las brújulas más complejas se hace calculando la ecuación 1 con un microcontrolador. Una brújula de 8 segmentos simple puede construirse para que indique la dirección aproximada (N, NE, E, SE, etc.). 2.4.1 BRÚJULA DE 8 SEGMENTOS Si el sistema de la brújula solo requiere tomar direcciones cercanas o relativas solamente, se puede hacer uso de la brújula de 8 segmentos, que identifica el punto cardinal más cercano o los puntos intermedios. Esta información se obtiene de las salidas de la UAS sin la evaluación de la función arctan como esta en la ecuación 1. La figura 23 muestra este principio, aquí las señales de salida de la UAS Vx y Vy muestran una rotación a la derecha como las manecillas del reloj, comparando las señales de la UAS con los umbrales Vt+ y Vt-, las señales Norte, Sur, Este, Oeste pueden ser derivadas. La figura 24 muestra un circuito para la determinación de la dirección.

Figura 23 Dirección determinada para la brújula de 8 segmentos

Figura 24 Circuito para la brújula de 8 segmentos 45 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



2.4.2 BRÚJULA DE ALTA RESOLUCIÓN Una brújula que requiere tener una alta exactitud es por ejemplo en los sistemas de navegación. Aquí, la brújula junto con la medición de la distancia recorrida se usa para determinar la posición real incluso donde ya no se reciba ninguna señal GPS. Si la dirección de información se requiere alta, por ejemplo un grado, tendremos que usar un microcontrolador para que evalué la ecuación 1, dónde Hex y Hey tiene que ser reemplazado por los voltajes de salida de Vx y Vy al UAS. Al llevar a cabo la ecuación 1, debe ser considerado que el argumento Vy/Vx tiene un polo en Vx = 0, y que la función del arctan se define singularmente sólo en el rango angular de – π/2 a + π/2. Así, el acimut tiene que ser computado, dependiendo de los estados reales de Vx y Vy:

Las ecuaciones anteriores son basadas en la convención que el acimut se cuenta en el sentido de las agujas del reloj, donde el Norte es 0°. 2.5 CALIBRACIÓN DEL NORTE VERDADERO Una vez que el acimut es medido con la brújula, tiene que indicarse la posición frontal en la que se encuentra uno en relación al Norte magnético. Sin embargo, en la mayoría de los casos prácticos, la dirección frontal relativa con el Norte verdadero es requerida para permitir la navegación por medio de un mapa. Como sabemos no coinciden los polos magnéticos y geográficos de la Tierra, la dirección del Norte verdadero y del Norte magnético puede desviarse significativamente uno del otro. Esta desviación se define como declinación. La declinación se define como el ángulo del Norte verdadero respecto al Norte magnético. La declinación también varía por períodos largos de tiempo, por lo tanto, solamente los datos actualizados de la declinación se deben utilizar para la compensación. Estos datos para las localizaciones por todo el mundo se pueden encontrar en la página de Internet del Centro Nacional de Datos Geofísicos (CNDG). 46 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



Para compensar el Norte verdadero, el ángulo de declinación en la localización actual tiene que ser sumado o restado de la lectura del acimut obtenido por la brújula. La operación apropiada depende de la declinación si ésta se encuentra al Este u Oeste. Una manera práctica para la compensación de la declinación en una cierta área o localización, sería llevar a cabo una brújula en la dirección del Norte verdadero (es decir, que señalara exactamente hacia el Norte geográfico). 2.6 EJEMPLOS DE APLICACIONES Los diagramas del bloque siguientes representan las ideas para la realización de brújulas electrónica completas.

Figura 25 Brújula analógica de 8 segmentos




Figura 26 Brújula analógica con alta resolución

Figura 27 Brújula avanzada con alta resolución con microcontrolador 48 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



2.7 INTERFAZ O DESPLIEGUE EN LCD El acimut moderado tiene que ser indicado por un desplieguen LCD y/o entregado a otro sistema electrónico como una computadora. Para este tipo de comunicación con la PC se requiere de una interfaz (RS-232 por ejemplo). 2.7.1 LCD El LCD (Liquid Crystal Display) que significa en español Pantalla de Cristal Líquido es un dispositivo inventado por Jack Janning, quien fue empleado de NCR. [2] Se trata de un sistema eléctrico de presentación de datos formado por 2 capas conductoras transparentes y en medio un material especial cristalino (cristal líquido) ambos tienen la capacidad de orientar la luz a su paso. Cuando la corriente circula entre los electrodos transparentes con la forma a representar (por ejemplo, un segmento de un número) el material cristalino se reorienta alterando su transparencia. El material base de un LCD lo constituye el cristal líquido, el cual exhibe un comportamiento similar al de los líquidos y unas propiedades físicas anisótropas similares a las de los sólidos cristalinos. Las moléculas de cristal líquido poseen una forma alargada y son más o menos paralelas entre sí en la fase cristalina. Según la disposición molecular y su ordenamiento, se clasifican en tres tipos: nemáticos, esméticos y colestéricos. La mayoría de cristales responden con facilidad a los campos eléctricos, exhibiendo distintas propiedades ópticas en presencia o ausencia del campo. El tipo más común de visualizador LCD es el denominado nemático de torsión, término que indica que sus moléculas en su estado desactivado presentan una disposición en espiral. La polarización o no de la luz que circula por el interior de la estructura mediante la aplicación o no de un campo eléctrico exterior, permite la activación de una serie de segmentos transparentes, los cuales rodean al cristal líquido. Según sus características ópticas, pueden también clasificarse como: reflectivos, transmisivos y transreflectivos. Las pantallas LCD (figura 27a) se encuentran en multitud de dispositivos industriales y de consumo: máquinas expendedoras, electrodomésticos, equipos de telecomunicaciones, computadoras, etc. Cada LCD se compone de una pequeña placa integrada que consta de: • • • • •

La propia pantalla LCD. Un microchip controlador. Una pequeña memoria que contiene una tabla de caracteres. Un interfaz de contactos eléctricos, para conexión externa. Opcionalmente, una luz trasera para iluminar la pantalla. 49 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



•

El controlador simplifica el uso del LCD proporcionando una serie de funciones básicas que se invocan mediante el interfaz eléctrico, destacando: • La escritura de caracteres en la pantalla. • El posicionado de un cursor parpadeante, si se desea. • El desplazamiento horizontal de los caracteres de la pantalla.

La memoria implementa un mapa de bits para cada caracter de un juego de caracteres, es decir, cada octeto de esta memoria describe los píxeles que deben iluminarse para representar un caracter en la pantalla. Generalmente, se pueden definir caracteres a medida modificando el contenido de esta memoria. Así es posible mostrar símbolos que no están originalmente contemplados en el juego de caracteres. El interfaz de contactos eléctricos suele ser de tipo paralelo, donde varias señales eléctricas simultáneas indican la función que debe ejecutar el controlador junto con sus parámetros. Por tanto, se requiere cierta sincronización entre estas señales eléctricas. La luz trasera facilita la lectura de la pantalla LCD en cualquier condición de iluminación ambiental. Existen dos tipos de pantallas LCD en el mercado: pantallas de texto y pantallas gráficas. En nuestro caso se utilizó un LCD de texto ya que solo se requiere desplegar números decimales y textos cortos. El LCD de texto solamente permite visualizar mensajes cortos de texto. Existen algunos modelos estandarizados en la industria en función de su tamaño medido en número de líneas y columnas de texto. Existen modelos de una, dos y cuatro filas únicamente. El número de columnas típico es de ocho, dieciséis, veinte y cuarenta caracteres. El controlador Hitachi HD44780 se ha convertido en un estándar de industria cuyas especificaciones funcionales son imitadas por la mayoría de los fabricantes. Este controlador cuenta con los siguientes interfaces eléctricos: • • • • •

•

D0-D7: ocho señales eléctricas que componen un bus de datos. R/W: una señal que indica si se desea leer o escribir en la pantalla (generalmente solamente se escribe). RS: una señal que indica si los datos presentes en D0-D7 corresponden a una instrucción o bien a sus parámetros. E: una señal para activar o desactivar la pantalla. Vo: señal eléctrica para determinar el contraste de la pantalla; generalmente en el rango de Vcc a tierra (5V-0V), cuando el voltaje es de cero Volts se obtienen los puntos más oscuros. Vcc y tierra: señales de alimentación. Generalmente a 5 Volts.




Estas señales son fácilmente controladas desde un microcontrolador o desde una interfaz en paralelo, típicamente a través del interfaz IEEE 1284, también conocido como "Centronics". El mismo que se usa para las impresoras.

Figura B. Pantalla de LCD 2.8 OTROS FACTORES PARA MEJORAR UNA BRÚJULA ELECTRÓNICA Otros factores que se necesitan consideran para hacer una brújula electrónica mejorada son los siguientes puntos: -La calibración de campo de interferencia Este se hace respecto al Norte magnético, ya que predomina este campo en la Tierra y se sobrepone a otros campos magnéticos que causarían un error de la medida del ángulo. -La Calibración al Norte Magnético Como se sabe existe una desviación entre la dirección del Norte magnético (medido por la brújula electrónica) y el Norte verdadero o Norte geográfico. REFERENCIAS [1] http://www.nxp.com/acrobat_download/applicationnotes/AN00022_COMPASS.pdf [2] http://es.wikipedia.org/wiki/LCD [3] http://arantxa.ii.uam.es/~gdrivera/robotica/h_datos/Sensores_Acond.pdf 51 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



CAPÍTULO 3 BRÚJULA DIGITAL (CMPS03) INTRODUCCION En este capítulo se presenta la descripción del sensor CMPS03, se habla de sus características, su funcionamiento, sus conexiones, su calibración y los componentes que lo integran. Además, se da una explicación breve de la modulación por ancho de pulso (PWM) ya que es primordial para el entendimiento de este trabajo. Por lo que se llevará a cabo lo siguiente: • Describir las características, conexiones, calibración y sus componentes integrados del sensor CMPS03. • Explicar el funcionamiento general de la brújula digital (CMPS03). • Explicar brevemente la modulación por ancho de pulso (PWM). 3.1 CONCEPTO GENERALES DE LA BRÚJULA DIGITAL La brújula digital CMPS03 se considera un sensor de campos magnéticos que una vez que es calibrado ofrece una precisión de 3 a 4 grados; este sensor de campo magnético esta específicamente diseñado como sistema de navegación. La brújula digital CMPS03 (figura 28) tiene internamente los sensores KMZ51 de la marca Philips, que son bastante sensibles para captar el campo magnético de la Tierra. Dichos sensores se encuentran colocados en ángulo de 90 grados respectivamente y llevan un amplificador LMC6041 para hacer más grande la señal de salida de los mismos para que posteriormente permita al microcontrolador PIC18F2321 calcular la dirección respecto al Norte magnético de la Tierra. [1]

Figura 28 Brújula digital CMPS03 52 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



Esta brújula digital CMPS03 tiene dos interfaces, una es mediante modulación por ancho de pulso (PWM) y, por medio de un bus I2C, lo que ayuda a la comunicación con una amplia gama de microcontroladores. 3.2 CARACTERÍSTICAS DE LA BRÚJULA DIGITAL

FIGURA 29 Diagrama de cada componente de la brújula digital CMPS03 • Se basa en el sensor de campo magnético KMZ51 de Philips. • La brújula CMPS03 lleva dos sensores KMZ51 montados en ángulo recto para así poder calcular la dirección horizontal del campo magnético terrestre. • Cuenta con un amplificador LMC6041 que sirve para aumentar la magnitud de la señal de la salida de los sensores KMZ51. • Consumo: 5V/15mA. • Obtención de la orientación – Pin 4: señal PWM. – Pines 2 y 3: interfaz I2C.




• Señal PWM: Su ancho nos indica la orientación: • 1 ms: 0º • 10 ms: 90º • 19 ms: 180º • 28 ms: 270º • 36.99 ms: 359.9º La señal se mantiene a nivel bajo durante 65 ms entre dos pulsos consecutivos. El ciclo de trabajo es de 65 ms + el ancho del pulso. El pulso lo genera un Timer de 16 bits del microcontrolador 18F2321 (Ver Sección 3.3.2) incluido en el módulo CMPS03 con una resolución de 1useg. 3.3 CIRCUITOS INTEGRADOS EN LA BRÚJULA DIGITAL (CMPS03) 3.3.1 AMPLIFICADOR LMC6041 3.3.1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL El consumo de energía ultra bajo y la corriente baja en la entrada y salida son lo que caracteriza al amplificador LMC6041 (figura 30), proporcionando la corriente de la entrada aproximadamente de 2 fA (típicos). El LMC6041 puede funcionar con una sola fuente y el rango de voltaje en la entrada puede incluir tierra. El LMC6041 es ideal para el uso en sistemas que requieren un consumo de energía muy bajo. Además, la alta amplificación a la salida. Otras aplicaciones que se le da al amplificador LMC6041 son: los detectores de campo magnético, campo eléctrico y los electrómetros. 3.3.1.2 CARACTERISTICAS Corriente baja de la fuente: 14uA (Típica). Funciona desde 4.5V a 15.5 V con una sola fuente. Ultra baja corriente de entrada aproximadamente 2 fA. 3.3.1.3 APLICACIONES Amplificador para detector de fotodiodo e infrarrojo. Probador de PH. Sistema de detección de humo y fuego. Amplificador para transductores piezoeléctricos. 54 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



Figura 30 Amplificador LM6041 3.3.2 MICROCONTROLADOR PIC18F2321 Este microcontrolador PIC18F2321 (figura 31) es de 28 pines teniendo tres puertos de entrada/salida pudiendo tener una interfaz con RS-232. [4] 3.3.2.1 MODOS DE ENERGIA Modo activo: CPU encendida, periféricos encendidos. Modo lento: CPU apagado, periféricos encendidos. Modo dormido: CPU apagado, periféricos apagados. Corrientes en modo lento aproximadamente menos de 2.5 uA (típico). Corrientes en modo dormido menos de 100 nA (típico). Oscilador Timer1: 1.8 uA, 32 KHz, 2 Volts (típico). Perro Guardián (WD): 1.4 uA, 2 Volts (típico). Dos velocidades del oscilador. 3.3.2.2 ESTRUCTURA FLEXIBLE DEL OSCILADOR Cuatro modos de cristal hasta 40 Mhz. Activación de 4x el cristal (PLL). Bloque del oscilador interno: - 8 frecuencias seleccionables por el usuario, a partir 31 KHz hasta 8 Mhz. - Proporciona una gama completa de velocidades de reloj a partir de 31KHz hasta 32 MHz cuando se activa el PLL. - Oscilador secundario usando Timer1 a cada 32 KHz. 3.3.2.3 CARACTERÍSTICAS DE LOS PERIFÉRICOS - Alta corriente en la fuente 25 mA. - Tres interrupciones externas programables. 55 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



- Cuatro interrupciones de entradas. - Cuenta con 2 módulos de captura/comparación/PWM. - Cuenta con módulo síncrono principal del puerto serial (MSSP) que apoya al I2C. - Módulo direccionable usando USART. - Soporta RS-485, RS-232 y LIN 1.2. - Opera con la interfaz RS-232 usando el bloque interno del oscilador. - Convertidor Analógico/Digital de10-bits. - Comparadores análogos duales con entrada multiplexada.

Figura 31 PIC18F2321 3.4 FUNCIONAMIENTO DE LA BRÚJULA DIGITAL Para el funcionamiento de la brújula digital cuenta con tres etapas principales a seguir, estas etapas incluyen desde la localización de información (localización del Norte magnético) y como parte final el envío de información mediante una salida de PWM que se conectará al microcontrolador MSP430F1232. A continuación, se muestran las siguientes etapas: SENSOR DE LOCALIZACIÓN DEL NORTE MAGNÉTICO (Dispositivos empleados para localizar el punto Norte magnético).- En el diseño de la brújula se encuentran incluidos dos sensores de campo magnético con denominación KMZ51, dichos sensores se encuentran diseñados para sistemas de navegación de robots; los KMZ51 son sensibles para captar el campo magnético de la Tierra y colocados en un ángulo de 90 grados permite al microprocesador PIC18F2321 calcular la dirección de la componente horizontal del campo magnético natural y el campo vertical, eso para que determine el Norte magnético. 56 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



UNIDAD DE ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL.- Esto es la amplificación de la señal del sensor. Como se mencionó anteriormente, los sensores forma una etapa del diseño de la brújula electrónica, pero muchas veces se corre el riesgo de perder la información que surge en los KMZ51 ya que la señal de información con el medio suele adquirir algunas otras señales que denominamos como ruido; para evitar dicho ruido o pérdida de información, lo más conveniente es aumentar la magnitud de la señal, es decir, amplificar la señal para lo cual se emplea el amplificador LMC6041, ya que requiere de un bajo consumo de energía y bajos niveles de corriente y temperatura alta y otras características más. El LMC6041 enviará las señales ya amplificadas a un microcontrolador PIC18F2321 que tiene como función obtener o calcular los valores más exactos que se necesitan para el funcionamiento de la brújula. RECEPCIÓN DE LA SEÑAL.- La señal que es amplificada por el LMC6041 va a ser procesada por el microcontrolador PIC18F2321 que contiene el circuito de la brújula CMPS03, dicho microcontrolador como se mencionó anteriormente, está diseñado para que haga los cálculos de los grados de dirección partiendo de un punto que denominamos Norte magnético. Va a calcular el acimut, o sea el ángulo entre el Norte magnético y la dirección en que este la brújula direccionando. El microcontrolador dará dos diferentes salidas: una señal PWM y una interfaz I2C, nosotros tomaremos la salida en PWM y esta se interpretara con su ancho de pulso; cuando tenga un ancho de pulso de 1 ms es igual a 0º y cuando sea el máximo 36.99 ms es igual a 359.9º. 3.4 CONEXIONES DE LA BRÚJULA DIGITAL En la figura 32 se observan las conexiones de los diferentes pines de la brújula digital CMPS03, las salida son el pin número 4 que es la salida en PWM (Modulación por Ancho de Pulso). Y los pines número 2 y 3 corresponden a la interfaz del bus I2C formado por las señales SDA (señal de datos) y SCL (señal de reloj) y que es un interfaz serie bidireccional sincrono. [1]

Figura 32 Pines de la brújula digital CMPS03 57 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



En el pin número 4 como ya se había mencionado se obtiene una señal PWM en la que el pulso positivo representa el ángulo de la brújula. El pulso varía de acuerdo al ángulo que se encuentre respecto al Norte magnético anteriormente calibrado, es decir, la duración mínima es de 1ms lo que representa 0 grados y ahí sería el Norte y la máxima duración del pulso es de 36.99 ms que representarían los 359.9 grados. Así que cada grado es igual a 100 us. La señal permanece en cero durante el lapso de 65 ms entre pulsos. Por lo tanto, el periodo es la suma de 65ms en estado bajo mas la anchura del pulso (ángulo). Los pulsos son generados por un contador de 16 bits del microcontrolador PIC18F2321, con una resolución de 1 us. Cuando se use la salida del pin número 4, es decir la salida en PWM, es necesario conectar los pines número 2 y 3 del interfaz I2C a Vcc (5V) mediante dos resistencias de 47 Kohms, ya que el sensor CMPS03 no incluye resistencias de pull up en el circuito. La otra alternativa es usar el interfaz I2C formado por los pines número 2 y 3, estos nos permite una lectura directa del valor en grados de la dirección. Como en este trabajo se utilizó la salida del pin número 4 o sea la salida PWM, no se comentará a fondo la interfaz I2C. Acerca de la modulación por ancho de pulso (PWM) se tratará más al respecto en la sección 3.7. El pin número 7 se usa para seleccionar entre 50 Hz (puesto a tierra) o 60 Hz (puesto a Vcc), esto se debe a una desviación errónea de unos 1.5 grados causado por el campo generado por la red eléctrica. En nuestro caso como en México se maneja 60 Hz para la línea eléctrica se pondrá el pin a Vcc o se puede dejar sin conectar ya que cuenta con una resistencia interna de pull up y se consigue disminuir el error a tan solo aproximadamente 0.2 grados. El circuito realiza una conversión interna cada 40ms (50 Hz) o cada 33,3 ms (60Hz) de acuerdo con la conexión de esta entrada. No hay ningún tipo de sincronismo entre la realización de la conversión y la salida de los datos, ya que cuando éstos son leídos devuelven el valor más reciente que esté almacenado en su respectivo registro. El pin número 6 se usa para calibrar el sensor magnético, aquí se debe calibrar con una brújula magnética normal para observar donde se encuentra el Norte magnético. Este pin cuenta con su propia resistencia de polarización (pull up) y puede dejarse sin conectar una vez realizada la calibración. Los pines 5 y 8 los maneja para no conectarse, aunque el pin número 8 es el reset del microcontrolador PIC18F2321. Para realizar la calibración, la brújula digital CMPS03 deberá estar perfectamente horizontal, además de estar alejado de cualquier objeto metálico y objeto magnético. También es necesario conocer con precisión la dirección, o sea, el Norte magnético y nos ayudaremos para comprobarlo con una brújula magnética ordinaria. La calibración de la brújula digital puede hacerse por el método de un push botton indicando los 4 puntos cardinales. 58 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



3.6 CALIBRACIÓN DE LA BRUJULA DIGITAL Consiste en utilizar un push botton entre el pin número 6 y tierra del circuito, con el fin de iniciar la calibración, se debe tomar en cuenta que este pin tiene una resistencia de polarización interna y puede dejarse sin conectar una vez realizada la calibración. Para llevar a cabo la calibración basta con poner a tierra el pin numero 6 momentáneamente por cada uno de los 4 puntos cardinales. Siempre es necesario calibrar los 4 puntos cardinales. 3.7 MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSOS La modulación por ancho de pulsos (PWM, Pulse Width Modulation en inglés) es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica pudiendo ser cuadrada o senoidal. [5] El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación al período (figura 33). Matemáticamente:

Donde: D es el ciclo de trabajo, τ es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso) y T es el período de la función

Figura 33 Señal de onda cuadrada de amplitud acotada La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda triangular, mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la señal triangular y el ciclo de trabajo esta en función de la portadora. 59 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Estas pueden minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente de alimentación. Algunos parámetros importantes de un PWM son: • La relación de amplitudes entre la señal portadora y la moduladora, siendo recomendable que la última no supere el valor pico de la portadora y esté centrada en el valor medio de ésta. • La relación de frecuencias, donde en general se recomienda que la relación entre la frecuencia de la portadora y la de señal sea de 10 a 1. REFERENCIAS [1] http://www.superrobotica.com/S320160.htm [2]http://www.etsit.upm.es/departamentos/teat/asignaturas/lablstr/textos/brujula_implem entacion.pdf [3] http://www.ortodoxism.ro/datasheets/nationalsemiconductor/DS011136.PDF') http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/C/6/LMC6041.shtml [4] http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39689b.pdf cobweb.ecn.purdue.edu/~477grp6/files/datasheets/Microchip_PIC18F2321.pdf [5] http://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_ancho_de_pulsos




CAPÍTULO 4 PRUEBAS DEL SISTEMA INTRODUCCIÓN En este capítulo, se da una explicación de los pasos y pruebas que se realizaron para hacer la brújula electrónica desplegada en una pantalla de LCD mediante un microcontrolador MSP430F1232, que es un sistema de orientación más preciso que una brújula ordinaria, también se habla de las herramientas utilizadas en dicho proceso, se pretenden los siguientes objetivos: 1. Realizar pruebas para cerciorarnos que el sensor CMPS03 da las relaciones de los ángulos con los anchos de pulso. 2. Dar a conocer las conexiones y armado del circuito para realizar la brújula electrónica. 3. Observar algunas pruebas que se realizaron desplegadas en LCD (fotos) y hacer comparaciones de nuestra brújula electrónica contra una brújula ordinaria. 4.1 VERIFICACIÓN Y COMPROBACIÓN DEL SENSOR CMPS03 Para hacer este trabajo, primero se deben conocer algunos sensores de campo magnético, entre los más sobresalientes está el KMZ51 y el KMZ52 que fueron los más usados en las aplicaciones de orientación ya que estos están diseñados para brújulas específicamente. El CMPS03 es un sensor o brújula digital que ya trae integrado dos sensores KMZ51 para los 2 ejes, “x” y “y”, esta brújula digital cuenta además con su amplificador LMC6041 que da mayor amplitud de la salida de los sensores de campo magnético y contiene un microcontrolador PIC18F2321, que con el uso del Timer genera la salida en PWM y se hace una relación del ángulo con respecto a su ancho de pulso (ver tabla 4).

Tabla 4 Relación de ángulos con respecto a su ancho de pulso 61 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



Los anchos de pulso fueron comprobados en un osciloscopio digital donde se observó la variación del ancho de pulso con respecto al ángulo que estuviera tomando como base el Norte magnético. Las condiciones ideales y teóricas del sensor CMPS03 son que el periodo siempre es de T= estado alto + 65ms de estado bajo. El estado alto dependerá del ángulo que tenga la brújula digital (CMPS03). Por lo que: • T=1 ms (0°) + 65ms = 66 ms sería el periodo más chico. • T=36.99 ms (359.9°) + 65 ms = 101.9 ms sería el periodo más largo Una observación importante dentro de las medidas hechas con el osciloscopio es que en realidad el ancho de pulso más grande lo da aproximadamente de 37.3 ms, que son en si 363 grados, lo que hace que el periodo sea T= 37.3 ms + 65 ms = 104.9 ms. Una razón de este error puede ser por el ruido que entra al PIC18F2321 y arroja la conversión no exacta como la que se maneja en la hoja de especificaciones de la brújula digital (CMPS03). Otra posible razón es como se comentó en el capitulo 2, el error se deba a la no ortogonalidad exacta, ya que deben estar montados los dos sensores KMZ51 a 90 grados uno respecto al otro y la no exactitud en este requerimiento nos da como consecuencia error en las mediciones del acimut. Este error se tendrá al final ya que en la conversión para mostrarlo en el LCD se observará que va la brújula de 0° a 363°, esto indica una mala medición del acimut del sensor CMPS03 y un error de 3 grados, esto se podría solucionar con repartirse este error en todos los ángulos mediante la programación del MSP430F1232. 4.2 CONEXIÓN DEL SENSOR CMPS03 CON EL MICROCONTROLADOR MSP430F1232 Teniendo las relaciones de los anchos de pulso con los ángulos, la salida en PWM del sensor CMPS03 se debe recortar, ya que como la brújula digital se alimenta con 5 Volts la salida será igual o menor, pero el microcontrolador MSP430F1232 no puede recibir mayor voltaje que con el que está alimentado, que son 3.3 Volts ya que se puso un regulador LF33CV y, se debe armar un pequeño circuito para recibir un voltaje menor de Vcc del MSP430F1232 que es el siguiente.

Figura 34 Circuito para disminuir el voltaje de la señal PWM 62 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



El sensor CMPS03 (figura 35) se debe conectar de la siguiente forma: • Pin 1: a Vcc= 5V. • Pin 2 y 3: a Vcc con resistencias de 47Kohms, resistencia de pull up • Pin 4: salida del sensor en PWM • Pin 5,6,7,8: sin conectar • Pin 9: a Tierra= 0V

Figura 35 Conexión del CMPS03 para conectarse al MSP430F1232 El circuito eléctrico se hizo en el programa PCB Wizard, las conexiones del sensor junto al microcontrolador quedan de la siguiente forma:

Figura 36 Circuito eléctrico de la brújula electrónica 63 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



4.3 PROGRAMA PARA EL MICROCONTROLADOR MSP430F1232 El microcontrolador se programa para que determine el ciclo útil de una señal de entrada en PWM en el ciclo activo, el TAR del timer está trabajando a una frecuencia de 1MHz, para esto es necesario colocar un oscilador de cristal externo de 8MHz en las entradas XIN y XOUT del MSP430F1232. El microcontrolador en la terminal P1.1 está a la espera de un flanco de subida, para tomar el valor que tiene el TAR, una vez que ocurre se configura la terminal para que responda a los flancos de bajada y de esta manera con el flanco de subida y el actual se hace una resta para determinar el número de ciclos que permaneció en activo la señal de entrada, el resultado se da en hexadecimal y es guardado en la localidad 0x202 de memoria RAM del microcontrolador, la cual esta apuntada por la etiqueta WIDEPULSE2. Así que se debe multiplicar el número de pulsos guardados en la memoria 0x202 y multiplicarlos por el periodo del reloj quedando de 1us Este resultado se mete a una función que convierta un número hexadecimal a decimal para poderlo desplegar en el LCD, cada número decimal se guarda en una dirección por ejemplo 0x204, 0x205, etc. A continuación se muestran los diagramas de flujo: PROGRAMA PRINCIPAL Inicio

Habilitación de Interrupciones;

Cambio de valor para desplegar Más lento el LCD; Conversión de hexadecimal a BCD del dato medido por la terminal P1.1

Fin

Figura 37 Diagrama de flujo del programa principal 64 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



INICIO DEL PROGRAMA Inicio

MCLK= HFXTAL = 8MHz; ACLK= HFXTAL/8 = 1MHz; SMCLK= 0Hz; DCO= OFF;

Inicialización de STACKPOINTER; WATCHDOG TIMER detenido;

LFXT1= HFXTAL; División del ACLK/8;

Limpiado de bandera Osc Fault; Retardo del oscilador a cristal;

SI

¿Osc Fault= 1? NO MCLK= LFXT1; DCO= OFF;--Apagado--

Fin

Figura 38 Diagrama de flujo del inicio del programa 65 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



Figura 39 Diagrama de flujo de la configuración del puerto A 66 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL






Figura 40 Diagrama de flujo del LCD

Figura 41 Diagrama de la configuración del LCD 68 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



4.4 FUNCIONAMIENTO Y DESPLIEGUE EN LCD DE LA BRÚJULA ELECTRÓNICA La brújula electrónica funciona cuando se prende mediante un interruptor, el microcontrolador MSP430F1232 se pone en reset automáticamente y en pocos milisegundos despliega el ángulo en que se encuentre la brújula electrónica. Este ángulo variará dependiendo de cómo nos desplacemos respecto al Norte, por lo que el ángulo se mide en sentido a las manecillas del reloj siendo el Norte cero grados. En la figura 42 se muestra la brújula electrónica indicando el Norte o lo más preciso a él, desplegando en el LCD 0.60 grados Norte y en la figura 43 se despliega en el LCD 90.57 grados respecto al Norte lo que es el Este.

Figura 42 Brújula electrónica indicando 0° (Norte)

Figura 43 Brújula electrónica indicando 90° respecto al Norte (Este) 69 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



4.5 PRESICIÓN DE LA BRÚJULA ELECTRÓNICA CONTRA UNA BRÚJULA ORDINARIA Pruebas realizadas de la brújula electrónica: El prototipo se probó en las instalaciones del Instituto Politécnico Nacional en la ESIME Zacatenco, en el laboratorio de microcontroladores de la academia de Electrónica, se observó el detalle de 3 grados de error que tiene el sensor CMPS03, ya que el sensor viene diseñado y montado en placa con el resto de sus componentes, así que solo restaría hacer un programa en el cual el error de 3 grados se repartiera en todo la brújula, debe resolverse el cálculo mediante la siguiente expresión matemática:

Medida corregida(ms) = Medición de Grados(ms) – [Error x Medición de Grados(ms)] Por ejemplo para 0 grados talto= Grados - [Error x Grados]= 0° - [8.33m x 0°]= 1ms – [8.33m x 1ms]= 1ms – 0.0083ms= 0.9917ms lo que daría muy próximo a 1ms (0°) y en el LCD daría el ángulo de 0 grados variando. Y para 363 grados (máximo del sensor CMPS03) talto= Grados – [Error x Grados]= 363° - [8.33m x 363°]= 37.3ms – [8.33m x 37.3ms]= 37.3ms – [0.310ms]= 36.99ms lo que daría en el LCD un ángulo de 359.9 grados. En la figura 44 se observa que la indicación del Norte Magnético de la brújula ordinaria y la brújula electrónica es muy semejante.

Figura 44 Comparación de la brújula electrónica VS brújula ordinaria 70 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



CONCLUSIONES: La brújula electrónica es una buena opción para lograr precisión y exactitud, además de obtener facilidad de lectura del ángulo respecto al Norte. Esta opción es de bajo costo comparándola con la tecnología GPS sin perder la precisión con esto, ésta cuenta con mayor manejo y entendimiento que las brújulas ordinarias. El ángulo de las brújulas ordinarias es difícil de visualizar ya que depende de la inclinación con que se observe, también varía mucho la aguja por lo que no las hace muy confiables. La brújula electrónica por lo tanto mejora todo estos aspectos en contra de una brújula ordinaria y su precio la hace accesible para cualquiera, pudiendo ser de uso personal, para transportes, industria o comercio. La tecnología que se encuentra en México con respecto a estos sistemas de orientación y posicionamiento se encuentra rezagada en nuestra opinión; ya que con éstas se podrían tener más ventajas y comodidades, por ejemplo el control automático por señalar alguna de ellas.




GLOSARIO Acimut o Azimut: Es una palabra que proviene del árabe "as-sumut" (la dirección, el cenit), plural de "as-sumt". El significado de este término tiene algunas particularidades según la disciplina en la que se use. En náutica, el acimut se mide desde el punto cardinal Norte en sentido horario de 0° a 360° y se llama acimut verdadero (Azv) o real. El acimut podrá ser magnético, si se mide respecto al Norte magnético (Azm). Amplificación: Proceso de aumentar la amplitud de una señal. Amplitud: Es la máxima distancia desde la posición de equilibrio hasta la cresta de onda. La amplitud de una onda es el valor máximo, tanto positivo como negativo, que adquiere o alcanza una onda sinusoide. Calibración: Conjunto de operaciones que establecen bajo condiciones específicas, la relación entre los valores de una magnitud indicados por un instrumento o sistema de medición o los valores representados por una medida materializada y los valores correspondientes de la magnitud realizados por los patrones. Campo magnético: Es una propiedad del espacio por la cual una carga eléctrica puntual que se desplaza a una velocidad, sufre los efectos de una fuerza perpendicular y proporcional a la velocidad y a una propiedad del campo llamada inducción magnética. Escalímetro: Es una regla especializada cuya sección transversal tiene forma de un prisma con el objeto de tener diferentes escalas en la misma regla. Se emplea frecuentemente para medir en dibujos que contienen diferentes escalas. Exactitud: Es la capacidad de un instrumento de medir un valor cercano al valor de la magnitud real. I2C (Inter-Integrated Circuit)): Es un bus de comunicaciones serie; usa dos hilos para transmitir la información: por uno van los datos y por otro la señal de reloj que sirve para sincronizarlos. Magnetismo: Fenómeno por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión a otros materiales Microcontrolador: Es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tres unidades funcionales de una computadora: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se trata de un computador completo en un solo circuito integrado.




Norte magnético (polo magnético): Es el punto de intersección de la superficie de la Tierra con los ejes de un magneto bipolar simple, esto aproxima mejor el actual campo magnético terrestre. Oscilador: Es un sistema capaz de crear perturbaciones o cambios periódicos en un medio, ya sea un medio material (sonido) o un campo electromagnético. Precisión: Capacidad de un instrumento de dar el mismo resultado en mediciones diferentes realizadas en las mismas condiciones PWM (Modulación por Ancho de Pulso): Es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica Rosa de los vientos (rosa náutica): Es un círculo con graduaciones que marca la vuelta o el círculo del horizonte, es decir, es un plano de coordenadas que indica a los cuatro puntos cardinales con sus derivados, que en total son 32. Ruido: Señales no necesarias que suelen distorsionar o alterar las señales de información. Sensibilidad: Es la mínima magnitud en la señal de entrada requerida para producir una determinada magnitud en la señal de salida, dada una determinada relación señal/ruido u otro criterio especificado. Señal moduladora: Es la señal que contiene la información que va a ser transmitida. Señal portadora: Es una forma de onda generalmente senoidal, que es modulada por una señal que se quiere transmitir, esta onda portadora es de una frecuencia mucho más alta que la de la señal moduladora. Tecnología GPS(Global Position System): Es un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) el cual permite determinar en todo el mundo la posición de un objeto, una persona, un vehículo o una nave, con una precisión hasta de centímetros usando GPS diferencial.




BIBLIOGRAFÍA -Nueva Enciclopedia Temática, Tomo 6. Editorial Richards S.A. Mexico, 1972. -Neamen, Donald A, Analisis y Diseño de Circuitos Electronicos, Tomo I, McGraw-Hill, Mexico, 1999. REFERENCIAS

http://es.wikipedia.org/wiki/Orientaci%C3%B3n http://www.granaventura.com/orientacion.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Punto_cardinal http://es.wikipedia.org/wiki/Rosa_de_los_vientos http://www.montanismo.org.mx/articulos.php?id_sec=9&id_art=219 http://www.opticsgiant.com/compasses.html http://www.paranauticos.com/Notas/Tecnicas/magnetismo/Magnetismo-1.htm http://sciencekit.com/product.asp?pn=IG0033426&bhcd2=1194235060 http://www.microchip.com (MICROCHIP) http://ti.com/ (TEXAS INSTRUMENT) http://translate.google.com/translate?hl=es&sl=en&u=http://www.restena.lu/convict/Jeun es/CompassSensor.htm&sa=X&oi=translate&resnum=7&ct=result&prev=/search%3Fq% 3DSENSOR%2BKMZ51%26hl%3Des http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/K/M/Z/5/KMZ51.shtml http://www.shopwahl.de/a/produktliste/idx/2110104/o/1/mark/Philips/produktliste.htm http://www.robotstorehk.com/CMPS03_release.pdf http://www.msebilbao.com/tienda/product_info.php?products_id=54 CAPITULO 1 [1] Nueva Enciclopedia Temática, Tomo 6. Editorial Richards S.A. México, 1972. Págs. 465-469 REFERENCIAS

[2] http://www.educar.org/inventos/brujula.asp [3] http://www.monografias.com/trabajos37/brujula/brujula.shtml [4] http://es.wikipedia.org/wiki/Br%C3%BAjula CAPITULO 2 REFERENCIAS

[1] http://www.nxp.com/acrobat_download/applicationnotes/AN00022_COMPASS.pdf 74 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL



[2] http://es.wikipedia.org/wiki/LCD [3] http://arantxa.ii.uam.es/~gdrivera/robotica/h_datos/Sensores_Acond.pdf CAPITULO 3 REFERENCIAS

[1] http://www.superrobotica.com/S320160.htm [2]http://www.etsit.upm.es/departamentos/teat/asignaturas/lablstr/textos/brujula_implem entacion.pdf [3] http://www.ortodoxism.ro/datasheets/nationalsemiconductor/DS011136.PDF') http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/M/C/6/LMC6041.shtml [4] http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39689b.pdf cobweb.ecn.purdue.edu/~477grp6/files/datasheets/Microchip_PIC18F2321.pdf [5] http://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_ancho_de_pulsos




ANEXO 76 ALDANA SALINAS OSCAR DANIEL GONZALEZ CHAVARRIA EMMANUEL LORETO FELIPE JOSE MANUEL

Brujula Electronica

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