Contenido
1.
................................................................................................................................... .................................................................. 3 TEMA .................................................................
2.
......................................................................................................................... ....................................................... 3 OBJETIVOS ..................................................................
3
2.1
OBJETIVO GENERAL ................................................................................................ 3
2.2
....................................................................................... 3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................................................
............................................................................................................. 3 MARCO TEÓRICO ..............................................................................................................
3.1
3.1.1
.............................................................................................. ................................. 4 Odómetro mecánico .............................................................
3.1.2
................................................................................................... ................................. 4 Odómetro digital ..................................................................
3.2
4
ENCODER. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO ................................................... 4
3.2.1
.................................................................................................. 5 Encoders Ópticos ...................................................................................................
3.2.2
Codificación Incremental ...................................................................................... 5
3.2.3
.......................................................................................... 6 Codificación Absoluta ...........................................................................................
3.2.4
.................................................................................. 7 Recodo simple vs. Múltiple ...................................................................................
3.3
.................................................................................................................... ........................................................ 7 ARDUINO ............................................................
3.4
POTENCIÓMETRO ..................................................................................................... 8
.................................................................................................................... ........................................................ 8 DESARROLLO ............................................................
4.1
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO .................................................. 8
4.2
................................................................................................. 9 DISEÑO MECÁNICO ..................................................................................................
4.2.1
Diseño de la estructura y mango ........................................................................... 9
4.2.1.1
Diseño por resistencia mecánica ........................................................................... 9
4.2.1.2
.................................................................................... ................. 10 Resistencia de materiales ...................................................................
4.3 5
.................................................................. ..........Error! Bookmark not defined. ODÓMETRO ........................................................
......................................................................................... ............................... 12 DISEÑO ELECTRÓNICO ..........................................................
............................................................................................................. 16 CONSTRUCCIÓN ..............................................................................................................
5.1
.................................................................................................. 18 Resultados obtenidos ...................................................................................................
5.2
....................................................................................... 19 Análisis estático y dinámico ........................................................................................
6
................................................................................... 22 ALCANCE DEL INSTRUMENTO ....................................................................................
7
................................................................................................................ ...................................................... 23 LIMITACIONES ..........................................................
8
.............................................................................................................. ...................................................... 23 CONCLUSIONES ........................................................
9
RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 24
................................................................................................................ 24 10 BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................
1
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 Odómetro Mecánico. Fuente: Obtenido de ..................................................................... 4 Figura 2 Encoder Incremental. Fuente Obtenida: ........................... 6 http://mechatronics.mech.northwestern.edu/design_ref/sensors/encoders.html ........................... Figura 3 Rueda de 100mm de diámetro. Fuente: Obtenida con ayuda del Software SolidWorks 9 Figura 4 Forma del mango del odómetro .................................................................................... 10 Figura 5 Diseño Mecánico Realizado con ayuda del Software AutoCAD ................................. 12 ................................................................................. .................... 12 Figura 6 Diseño electrónico del Odómetro ............................................................. Figura 7 Circuito del Instrumento ............................................................................................... ............................................................................................... 15 Figura 8 Caja con LCD 16X2 ..................................................................................... ......................................................................................................... .................... 15 Figura 9 Esquema de la Caja portadora de elementos electrónicos ............................................ 17 Figura 10 Ubicación del sensor en la Llanta ............................................................................... 17 Figura 11 Circuito de control con Interfaz .................................................................................. 17 ....................................................................................... .................... 18 Figura 12 Terminados en el Odómetro ................................................................... Figura 13 Monitor Serial de Arduino ............................................................ ........................................................................................... ............................... 18 Figura 14 Datos técnicos Módulo LM393 IR Arduino ......................................................... .................................................................. ......... 19 Figura 15 Característica Estática del instrumento Odómetro..................................................... 20 Figura 16 Aproximación del modelo del Odómetro........................................................... .................................................................... ......... 21 Figura 17 Respuesta al escalón de la función de transferencia .................................................. 22
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Resultados obtenidos .................................................................................................... .................................................................................................... 19 Tabla 2 Histéresis del instrumento............................................................... .............................................................................................. ............................... 21
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1. TEMA CONSTRUCCIÓN DE UN MEDIDOR DE TENSION SUPERFICIAL
2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL Diseñar y construir un instrumento para efectuar una medición de tensión superficial del agua en una superficie de vidrio.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar prototipos probando diferentes configuraciones de medición de tensión superficial
3 MARCO TEÓRICO 3.1 TENSION SUPERFICIAL Lo primero que asociamos con odómetro es el cuentakilómetros de nuestro vehículo y por ello pensamos que se se trata de un dispositivo inventado inventado en el siglo XX. Sin embargo, el odómetro es tan antiguo que, para algunos investigadores, sus orígenes se remontan a épocas anteriores a la era cristiana. Por su etimología griega, odómetro significa “medir distancias recorridas” y ese fue principalmente el uso que se le l e atribuyó a este instrumento en la antigüedad, tanto en el ámbito civil como militar, mucho antes de encontrar aplicación en la industria automotriz, en bicicletas, en los modernos aparatos de gimnasia (por ejemplo, cintas caminadoras), en dispositivos de ayuda técnica para personas con problemas problemas motrices (por ejemplo, silla de ruedas) , en agrimensura, topografía y en cualquier otra actividad en la que se requiera la medición exacta de una distancia cuando se la recorre, incluso caminando, en superficies planas. El fundamento en el que se basa un odómetro, que depende del movimiento de otro instrumento milenario como lo es la rueda, es muy sencillo y para comprenderlo, nosotros mismos podemos construir un simple odómetro. (Requena, 2009)
3
3.1.1 Odómetro mecánico Cada vez que una rueda da una vuelta completa se recorre una distancia igual a su perímetro. Por tanto, contando el número de vueltas se puede conocer con exactitud la distancia total recorrida. Un odómetro mecánico consiste básicamente en una serie de engranajes con números en sus bordes que se encastran a una rueda o se comunican con ella a través de una serie de cables. Los engranajes están perfectamente calibrados para que se muevan a una velocidad determinada acorde con las vueltas de la rueda y muestren el número correspondiente a la distancia recorrida. (Mazada, s.f.)
Figura 1 Odómetro Odómetro Mecánico. Mecánico. Fuente: Fuente: Obtenido de http://www.demaquinasyherramientas.com/herramientas-de-medicion/odometro-tipos-y-usos
3.1.2 Odómetro digital Los odómetros electrónicos o digitales registran la distancia recorrida utilizando un chip informático. La lectura del kilometraje se visualiza en un display digital y el valor del kilometraje total se va quedando almacenado en el módulo electrónico principal del vehículo. Debido a este funcionamiento se pensó que los odómetros digitales terminarían con el engaño sobre el kilometraje, pero no ha sido caso, pues se ha encontrado la forma de alterar estos valores del ordenador del coche. (Máquinas y Herramientas, 2007) 3.2 ENCODER. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El encoder es un transductor rotativo que transforma un movimiento angular en una serio de impulsos digitales. Estos impulsos generados pueden ser utilizados para controlar los desplazamientos desplazamientos de tipo angular o de tipo lineal. Las señales eléctricas de rotación pueden ser elaboradas mediante controles numéricos (CNC), contadores lógicos programables (PLC), sistemas de control etc. Los encoders están disponibles con diferentes tipos de salidas, uno de ellos son los ENCODER
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INCREMENTABLES, INCREMENTABLES, que generan pulsos mientras se mueven, se utilizan utili zan para medir la velocidad, o la trayectoria de posición. El otro tipo son los ENCODERS ABSOLUTOS que generan generan multi-bits digitales, que indican directamente su posición actual. actual. Los encoders pueden ser utilizados en una gran variedad de aplicaciones. Actúan como transductores de retroalimentación para el control de la velocidad en motores, como sensores para medición, de corte y de posición. Las aplicaciones principales de estos transductores están en las máquinas herramientas o de elaboración de materiales, en los robots, en los sistemas s istemas de motores, en los aparatos de medición y control. Los Encoders pueden utilizar tanto tecnología óptica como magnética. El sensor óptico provee altas resoluciones, velocidades de operaciones altas, y con seguridad, operación de larga vida en la mayoría de los ambientes industriales. Los sensores magnéticos, se utilizan frecuenteme f recuentemente nte en aplicaciones de trabajo pesado como en laminadoras de papel y acero, proveen buena resolución, altas velocidades de operación, y máxima resistencia al polvo, humedad, y golpe térmico y mecánico. (Instruments, 2014)
3.2.1 Encoders Ópticos Los encoders ópticos utilizan un disco de vidrio con un patrón de líneas depositadas en él, un disco metálico o plástico con ranuras (en un encoder rotatorio), o una tira de vidrio o metal (en un encoder lineal). La luz de un LED brilla a través del disco o tira sobre uno o más fotodetectores, que produce el suministrador del encoder. Un encoder de incremento tiene una o más de estas pistas, mientras que un encoder absoluto tiene varias pistas como bits de de salida. (Bradley, 2000) 3.2.2 Codificación Incremental Los encoders de incremento proveen un número específico de pulsos equitativamente espaciados por revolución (PPR) o por pulgada o milímetro de movimiento lineal. Se utiliza un solo canal de salida para aplicaciones donde el sentido de la dirección de movimiento no es importante (unidireccional). Donde se requiere el sentido de dirección, se utiliza la salida de cuadratura (bidireccional), con dos canales de 90 grados eléctricos fuera de la fase; el circuito determina la dirección de movimiento basado en la fase de relación entre ellos. Esto es útil para procesos que se pueden revertir, o para mantener la posición de red cuando cuando se encuentra inmóvil u oscilando mecánicamente. mecánicamente. Por ejemplo, ejemplo, la vibración de la maquina mientras este detenido podría ocasionar que un encoder
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unidireccional produzca una corriente de pulsos que serían contados erróneamente como movimiento. El controlador no sería engañado cuando se utilice la cuadratura de conteo. Cuando se requiere más resolución, es posible para el contador computar los márgenes de dirección y rastreo de la serie de pulsos de un canal, el cual duplica (x2) el número de pulsos contados para una rotación rotación o pulgada de movimiento. Al contar ambos márgenes de dirección y de rastreo de ambos canales darán una resolución x4.
Figura 2 Encoder Encoder Incremental. Incremental. Fuente Fuente Obtenida: Obtenida: http://mechatronics.mech.northwestern.edu/design_ref/sensors/encoders.html
Una salida de un encoder incremental indica movimiento. Para determinar la posición, sus pulsos deben ser acumulados por un contador. La cuenta está sujeta a pérdida durante una interrupción de energía o corrupción por transistores eléctricos. Cuando comienza, el equipo debe ser dirigido a una referencia o posición de origen para inicializar los contadores de posición. Algunos encoders de incremento también producen otra señal conocida como el “índice”, “marcador”, o “canal Z”, Esta señal, producida una vez por revolución de un encoder de
eje o a puntos precisamente conocidos sobre una escala lineal , Se utiliza frecuentemente para localizar localizar una posición específica, específica, especialmente especialmente durante durante una secuencia secuencia de de mensajes. mensajes. (Electrónica, 2000)
3.2.3 Codificación Absoluta Un encoder absoluto genera mensajes digitales lo cual representa la posición actual del encoder, así como su velocidad y dirección de movimiento. Si la energía se pierde, su salida será corregida cada vez que la energía sea restablecida. No es necesario ir a una posición referencial como con los encoders de tipo incremental.
Los
transistores 6
eléctricos pueden producir pr oducir únicamente errores de datos transitorios, usualmente muy breve como para afectar la dinámica de un control de sistema. La resolución de un encoder absoluto es definida como el número de bits por mensaje de salida. Esta salida puede ser directamente en código binario o Gray, el cual produce un cambio de un solo bit en cada paso para reducir errores. (Electrónica, 2000) 3.2.4 Recodo simple vs. Múltiple En un encoder de recodo simple, los códigos de rendimiento se repiten por cada revolución del eje del encoder. No hay datos proporcionados para indicar si el encoder ha hecho una revolución – o o 1000 revoluciones. Con los encoders multi-recodos absolutos, el rendimiento el único por cada posición de eje, durante cada rotación, arriba de 4096 revoluciones. La diferencia entre los encoders incrementales y absolutos es análoga a la diferencia entre un cronometro y un reloj. Un cronometro mide el tiempo de incremento que transcurre entre su inicio y su término, muy parecido a lo que un encoder de incremento suministra un conocido número de impulsos relativo a un total de movimientos. Si sabías el tiempo exacto de cuando iniciaste el reloj, podrás decir que tiempo será más tarde sumando el tiempo transcurrido del cronometro. Para controlar la posición, sumando los pulsos de incremento a una posición inicial conocida conocida medirá la posición posición actual. Cuando se utiliza un encoder absoluto, la posición actual será constantemente constantemente transmitida, tal como un reloj normal te dirá la hora exacta. (Bradley, 2000) 3.3 ARDUINO Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares. Arduino se enfoca en acercar y facilitar el uso de la electrónica y programación de sistemas embebidos en proyectos multidisciplinarios. Toda la plataforma, tanto para sus componentes de hardware como de software son liberados bajo licencia de código abierto que permite libertad de acceso a los mismos. El hardware El hardware consiste en una placa de circuito impreso con un microcontrolador, usualmente Atmel AVR, AVR, puertos digitales y analógicos de entrada/salida, de entrada/salida, los cuales 7
pueden conectarse a placas de expansión (shields) que amplían las características de funcionamiento de la placa arduino. Asimismo posee un puerto de conexión USB desde donde se puede alimentar la placa y establecer comunicación comunicación serial con el computador. Por otro lado, el software consiste en un entorno de desarrollo (IDE) basado (IDE) basado en el entorno de Processing de Processing y lenguaje de programación basado programación basado en Wiring, así así como en el cargador el cargador de arranque (bootloader) que es ejecutado en la placa .4 El microcontrolador de la placa se programa a través de un computador, haciendo uso de comunicación serial mediante un convertidor de niveles RS-232 a TTL serial. (Gutiérrez, 2007) 3.4 POTENCIÓMETRO Un potenciómetro es un dispositivo que permite variar su resistencia de forma manual, entre un valor mínimo Rmin, (normalmente 0 ohminos) y un valor máximo Rmax. Valores habituales de Rmax son 5k, 10k o 20k ohmios. Internamente un potenciómetro está constituido por un contacto móvil que se desplaza a lo largo de una pista resistiva. De esta forma, al mover el potenciómetro movemos el contacto a lo largo de la pista, y variando la longitud del tramo tr amo de pista con el que estamos en contacto, y por tanto variando su resistencia. Normalmente un potenciómetro tiene tres terminales. Los dos extremos están unidos a ambos lados de la pista, por lo que siempre registrarán la resistencia máximo Rmax. El terminal restante corresponde con el contacto móvil. Este terminal varía su resistencia respecto a los otros dos terminales a medida que accionamos el potenciómetro, siendo la suma de la resistencia a los otros terminales igual a Rmax.
(Gutiérrez, 2007)
4 DESARROLLO 4.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL DISPOSITIVO Características Básicas del odómetro a fabricar.
Rueda en lateral
Contador de precisión
De peso Ligero
Robusto
Pantalla fácil de leer
Rueda con diámetro de 100mm
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4.2 DISEÑO MECÁNICO 4.2.1 Diseño de la estructura y mango 4.2.1.1 Diseño por resistencia mecánica Para el diseño de la estructura se ha empezado por mirar las variables que interferirán en nuestro diseño, así tenemos las siguientes variables: -
Cargas aplicadas
El sistema no estará sometido a cargas dinámicas ni de impacto es decir no trabajara a esas condiciones pero hay que tener cuidado si llegara l legara el sistema caerse o a golpearse por lo que su factor de seguridad deberá ser de un valor considerable a la hora del diseño. -
Geometría.
Tamaño de la rueda del Odómetro
Dependerá de la aplicación y el entorno que se especifique, para el diámetro de la rueda. Como regla general mientras más irregular sea la superficie a medir, mayor deberá ser el tamaño de la l a rueda para obtener las estimaciones precisas. precisas.
Para el caso de este proyecto se supondrá que el odómetro trabajará en superficies lisas por lo cual se ha seleccionado una llanta de diámetro pequeño.
Figura 3 Rueda Rueda de 100mm 100mm de diámetro. diámetro. Fuente: Obtenida con con ayuda del Software Software SolidWorks SolidWorks
Tamaño del bastidor del Odómetro
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Aproximadamente se hizo referencia a un promedio de altura de personas para conseguir la longitud del bastidor junto con el mango el cual será de aproximadamente aproximadamente 1m de largo .
El diseño geométrico para la realización de la estructura se ha seleccionado una platina rectangular debido a la comodidad para el ensamble de las piezas que vendrán montadas en el dispositivo final y porque al usuario no dará problemas.
Forma del Mango
El mango o agarradera deberá ser de muy fácil uso y agarre para el usuario que lo utilice, para no tener inconvenientes o cansancio a la hora de trabajar con el odómetro, se elegirá un mango de un proveedor.
Figura 4 Forma Forma del mango mango del odómetro odómetro
4.2.1.2 Resistencia de materiales
Para la Rueda del Odómetro
El material de las ruedas más durables, estables y resistentes son más costosas están construidas en acero y presentan radios. Como las ruedas de una bicicleta, lo que hace que la herramienta sea muy liviana li viana la cual se elegirá una llanta de un proveedor.
Para la selección de la llanta se recomienda una rueda de plástico laqueado o plástico ABS con recubrimientos de neopreno, y con ruedas de aluminio moldeado a presión recubiertas de goma o neopreno. El neopreno permite que la rueda se adapte a cualquier terreno o superficie sin resbalar. Este elemento no se elaborar sino se escogerá de un catálogo y tendremos que ajustarnos a condiciones del proveedor
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Para la estructura bastidor del odómetro
Para los materiales seleccionados en la construcción del bastidor se ha seleccionado un material de acero muy ligero y resistente, el cual tiene una resistencia de: Sy= 400 [MPa] Su=250 [MPa]
Siendo capaces de soportar las cargas sometidos las cuales como hemos explicado no van a estar sometidas, a cargas de impacto o cargas dinámicas pero si hay que tener cuidado con golpes, caídas. El material Acero A36 tiene propiedades las cuales se pueden adherir a pintura la cual va a proteger al material de condiciones externas y evitar que se desgaste o estar sometido a temperaturas ambientales.
El odómetro se manejara solo con una persona de forma cómoda y sin agacharse mediciones de largo recorrido. La construcción robusta del odómetro hace que sea insensible al mal tiempo y otras influencias externas. El odómetro es ideal para medir cableados, tuberías, vallas, obras, zonas industriales, instalaciones deportivas, instalaciones agrícolas, etc.
Adicionalmente se ha fabricado una caja almacenadora de los implementos que formaran parte de las conexiones electrónicas. El cual se ha diseñado en base a las medidas necesarias e ira sujeto al bastidor del odómetro. (Ver plano 2). El cual para esta caja se ha diseñado también un soporte que ira soldado a la parte lateral del bastidor, podemos mostrar un esquema preliminar a la construcción del Odómetro.
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Figura 5 Diseño Diseño Mecánico Mecánico Realizado Realizado con ayuda ayuda del Software Software AutoCAD AutoCAD
1. mango 2. Bastidor 3. Rueda 4. Soporte de Bastidor y Rueda 5. Caja portadora de elementos eléctricos 4.3 DISEÑO ELECTRÓNICO Para el funcionamiento del odómetro digital se ha realizado un diseño electrónico (Figura ( Figura 6), el cual va a tener partes electrónicas y accesorios para la programación detalladas a continuación:
Figura 6 Diseño Diseño electrónico electrónico del Odómetro Odómetro
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#include LiquidCrystal lcd(7, 8, 9, 10, 11, 12); int pin_encoder = 2; // El pin del arduino donde esta conectado el encoder
la ejecución del programa se utilizó util izó la siguiente programación en Arduino: intPara pin_fincarrera=A3; unsigned int rpm;
// lectura de rpm
volatile byte pulsos; pulsos; // número de pulsos pulsos unsigned long tiempo; // El numero de pulsos por revolucion depende del numero de agujeros del disco unsigned int pulsosporvuelta = 20; // static float val=0; static float odometro=0.0; // Km totales static float km_parc=0.0; // Km parciales int tinicial=0; //instante en el que se recibe un pulso (bajo) de velocidad (inicio vuelta de rueda) int tfinal=0; // instante en el que se recibe el siguiente pulso (bajo) de velocidad (tfinal-tinicial=1 vuelta completa) int tparado=0; // variable que si supera cierto valor pone la velocidad del cuadro a 0 int varVel=0; // variable para contar una vuelta de rueda en la funcion velocidad int revision=0; int vel=0; // variable que almacena la velocidad int velMax=0; // variable que almacena la velocidad maxima alcanzada int perimetro=314; // perimetro de la rueda en mm (para calculos de velocidad y distancias) void counter() { pulsos++; if(varVel==0) //entra si es el inicio de la vuelta y toma el ti empo actual { tinicial=millis(); varVel=1; } else if (varVel==1) //si es el final de la vuelta resta el tiempo actual al inicial // para calcular el tiempo transcurrido entre los 2 pulsos (1 vuelta completa) { tfinal=millis()-tinicial; varVel=0; vel=perimetro/tfinal; vel=vel*3.6; km_parc=km_parc+(perimetro/1 km_parc=km_parc+(perimetro/100000.0); 00000.0); if(km_parc>1200) km_parc=0; odometro=odometro+(perimetro odometro=odometro+(perimetro/100000.0); /100000.0); if(val==1023) odometro=odometro-2*(p odometro=odometro-2*(perimetro/100000.0) erimetro/100000.0);; if(odometro>100000) odometro=0;
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revision=revision-(perimetro/10000 revision=revision-(perimetro/100000.0); 0.0); // a esta interrupcion entra 1 vez por vuelta, // por lo que le restamos el perimetro de la rueda } } void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(pin_encoder, pinMode(pin_encoder, INPUT); attachInterrupt(0, counter, counter, FALLING); // Interrupt 0 significa que la señal del detector IR esta conectada // Initialize pulsos = 0; rpm = 0; tiempo = 0; //LCD lcd.begin(16, 2);
// Posicion del mensaje
lcd.print(" ODOMETRO 2.0"); // Aqui va va el mensaje mensaje lcd.setCursor(9, 1); lcd.print("mts."); } void loop() { if (millis() - tiempo >= 1000){ /*Se actualiza cada segundo, para tener una lectura igual en frecuencia (Hz)*/ //No procesa las interrupciones mientras calcula detachInterrupt(0); rpm = (60 * 1000 / pulsosporvuelta )/ (millis() - tiempo)* pulsos/20; pulsos/20; tiempo = millis(); pulsos = 0; val=analogRead(pin_fincarrera); //Escribiendo el dato en el LCD //Serial.println(vel,DEC); Serial.println(odometro); Serial.println(val); //Serial.println(revision); //Reinicio el proceso de interrupciones attachInterrupt(0, counter, FALLING); } lcd.setCursor(3, 1); lcd.print(odometro*10.25) lcd.print(odometro*10.25) ; }
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Como se muestra en la Figura 6, el sistema es controlado por una tarjeta Arduino MEGA 2560 con el código mostrado previamente, el cual consiste en una lectura digital del encoder a través de un PIN digital del Arduino, éste PIN es encargado de mandar la señal que cuenta la cantidad de pulsos o de cortes en la señal del encoder, con ello se puede conocer la velocidad de giro de la rueda, usando una función de tiempo dada por el Arduino se logra calcular el desplazamiento en función de la velocidad y del tiempo. El circuito del instrumento se muestra en la Figura 7.
Figura 7 Circuito del Instrumento
Además en el mismo programa se realiza la programación para mostrar los datos de lectura en un LCD 16x2 (Figura 8). También consta con un potenciómetro que permite regular el brillo de la pantalla, según la necesidad.
Figura 8 Caja con LCD 16X2
El diseño usado presenta la ventaja que el sensor usado es un módulo de Arduino ya acondicionado, con la cual su lectura es más precisa y más rápida que si se usara el encoder convencional, convencional, donde se debe realizar su respectivo acondicionamiento. acondicionamiento.
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El instrumento posee la capacidad de un conteo inverso uy decreciente de la distancia, lo cual se logra con el uso de un switch de cambio de sentido de funcionamiento del instrumento (sentido inverso). Para la alimentación de Arduino se utilizó una de las tres formas conocidas, es decir, usando una batería de 9v en la alimentación del Arduino, con lo cual se energiza todo el instrumento de medida (Odómetro).
5 CONSTRUCCIÓN a. Selección de tamaño de rueda para un desplazamiento uniforme de acuerdo al diseño Mecánico preliminar. =
=
θ
= 1 = 12
θ = 2π
=
12 ∙ 2.54 2
= 4.85 : : ≅ 10 10
b. Selección del bastón para una estatura promedio de una persona en el país, 1.65cm. c. Esquema de la caja para ubicación del circuito de control
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Figura 9 Esquema Esquema de la Caja Caja portadora portadora de elementos elementos electrónicos electrónicos
d. Diseño para la ubicación del sensor y acople con llanta y eje.
Figura 10 Ubicación Ubicación del del sensor en en la Llanta
e. Implementación del circuito de control con interfaz para el usuario (pantalla LCD16X2).
Figura 11 Circuito Circuito de control control con Interfaz Interfaz
f. Acabados finales
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Figura 12 Terminados Terminados en el Odómetro Odómetro
5.1 Resultados obtenidos Los datos lo obtuvimos del monitor serial de Arduino, como se muestra en la Figura 11
Figura 13 Monitor Serial de Arduino
Del monitor serial de Arduino, obtuvimos los datos de voltaje y distancia respectivos, por lo cual los datos datos utilizados se muestran muestran en la Tabla Tabla 1.
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Tabla 1. Resultados obtenidos
Voltaje en el encoder [V]
Distancia [m]
0,07
0,07
0,09
0,1
1,1
0,3
1,3
0,45
1,5
0,63
1,7
0,86
1,95
1,21
2,06
1,42
2,18
1,63
2,27
1,84
2,45
2,2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
5.2 Análisis estático y dinámico
Figura 14 Datos técnicos Módulo LM393 IR Arduino
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De la Tabla 1 tenemos: Volta oltaje je - Dist Distancia ancia 2.5 y = 1.401x 1.401x - 1.399 R² = 0.9717
2 ] m [ 1.5 a i c n a t 1 s i D
0.5 0 0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Voltaje del sensor [V]
Figura 15 Característica Estática del instrumento Odómetro
Sensibilidad =
=
=
(1.401. 1.401. 1.399 1.399) = 1.401
Rango Entrada (Voltaje) (í) í), (á) (á) (0), (3,3) (3,3)
Salida (Distancia) (í) í), (á) (á) (−1000), (1000)
Alcance o Span: Alcance de Entrada Voltaje Alcance Entrada = V( V(á) á ) − (í) Alcance Entrada = 3.3 − 0
20
Alcance Entrada = 3.3 []
Alcance de Salida Distancia Alcance Salida = ( (á) á ) − (í) Alcance Salida = 1000m − (−1000m) Alcance Salida = 2000 []
Histéresis Tabla 2 Histéresis del instrumento
Distancia Real [m] 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4
Ida [m] 0.35 0.68 0.9 1.46 1.78 2 2.75 3.1 3.52 3.81
Regreso [m] 0.29 0.54 0.78 1.23 1.54 1.85 2.54 3.05 3.49 3.81
Histéresis 0.06 0.14 0.12 0.23 0.24 0.15 0.21 0.05 0.03 0
Función de transferencia () =
0.2534 + 0.1706
Aproximación del modelo
Figura 16 Aproximación del modelo del Odómetro
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Como se observa en la Figura 16, el modelo tiene una aproximación del 89.92% para una función de transferencia con un polo y sin ceros. Respuesta al escalón
Figura 17 Respuesta al escalón de la función de transferencia
Como se observa en la Figura 17, el modelo tiene una respuesta estable y relativamente rápida.
6 ALCANCE DEL INSTRUMENTO La utilización de un Arduino Mega hace parte del proyecto, pues es mediante el cual se recogerán los datos obtenidos y se procesarán para mostrar la información obtenida. El instrumento debe tomar una medición de pulsos por revolución y así mismo generar una señal de salida análoga útil y óptima para posterior selección y análisis. Esta señal señal análoga se digitalizará para su procesamiento procesamiento y visualización en una pantalla LCD. La demostración de funcionamiento del instrumento se realiza presionando el interruptor con lo cual se encenderá el LCD, girando el potenciómetro de su derecha se podrá variar el brillo de la pantalla LCD. El instrumento, Odómetro, presenta una buena repetitividad y reproducibilidad.
22
7 LIMITACIONES
La histéresis del instrumento no es apropiadamente buena.
El instrumento está diseñado de manera general para una persona diestra.
En una superficie con deformaciones considerables puede generar errores de medida que sobre pasan el límite permitido.
8 CONCLUSIONES
Se diseñó, construyó e implementó un instrumento para la medición de distancia en tiempo real, para lo cual se hizo uso de un sensor emisor receptor infrarrojo, con un disco de veinte ranuras para una mejor precisión de la medida, además de usar un módulo ya acondicionada de Arduino (LM393 IR). También está constituido por un circuito de control que presenta entre sus partes un LCD para la impresión de los datos para el usuario, haciendo así al instrumento más interactivo y de fácil manejo. Al activar el interruptor de encendido, se energiza el Arduino, el cual alimenta a todo el circuito (LCD, encoder, potenciómetro), el encoder envía los pulsos contados al Arduino a través de un PIN digital para su procesamiento, éste a su vez convierte esta información de pulsos en velocidad, para con ella y su tiempo de trabajo obtener la distancia recorrida por el instrumento. El instrumento también consta con la opción de cambio de sentido, en la cual al activarla, el instrumento restará la distancia recorrida, es decir, de manera inversa al proceso anterior.
El instrumento presenta buena sensibilidad, como podemos observar en la Figura 15, lo cual favorece a una respuesta más rápida del mismo en tiempo real.
La respuesta del sensor es estable y relativamente r elativamente rápida, como observamos en la Figura 17, de esta forma tendremos una medición apropiada, con el instrumento a velocidades más altas del rango permitido.
Una buena aproximación del sensor está dada por un sistema de primer orden (un polo y sin ceros), por lo cual este modelo presenta una aproximación del 89.92%.
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9 RECOMENDACIONES
Se debe tener cuidado en las conexiones, para evitar cortocircuitos y daño en los elementos.
De manera particular se debe tener sumo cuidado con el módulo del encoder, el LCD, y el Arduino, en lo que alimentación se refiere, dado que si la alimentación no es la adecuada podría generar daños en los mismos.
El bastidor a utilizar debe ser un material adecuado para soportar soportar toda la estructura del instrumento.
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