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MICROHELICOPTEROS EMISORES DE LUZ SINCRONIZADOS PARA SER UTILIZADOS
EN CENTROS NOCTURNOS
por
Aldo Omar Moreno Medina
Adrian González Villegas
Presentado a la academia de Sistemas Digitales y Comunicaciones
del Instituto de Ingeniería y Tecnología de
La Universidad Autónoma de Ciudad Juárez
para su evaluación
LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ
Marzo del 2010
Alejandra Mendoza Carreón Presidente de la academia
___________________________________________
Diego Alberto Arenivar Díaz Asesor
___________________________________________
Aldo Omar Moreno Medina Alumno
___________________________________________
Adrian Gonzalez Villegas Alumno
___________________________________________
INTRODUCCION
En los centros nocturnos para hacer la noche más divertida y amena, a demás de una buena música, existen luces de neón, luces de laser, cañones de luz, luces inteligentes las cuales son las que se mueven al compas de la música y de los ritmos de la pista de baile, maquinas de humo, gente que crea personajes como modo de diversión extra, y todo esto con un fin, que la persona que visite ese lugar tienda a regresar, ya que se siente atraído por la toda la tecnología que hoy en día se puede tener al alcance.
Este prototipo que se pretende realizar, se desenvolverá en los ambientes nocturnos y de preferencia cerrados, ya que son varios objetos voladores sincronizados que contienen un led ultra luminoso. Esta idea nace de crear un ambiente diferente en el cielo, ya sea dentro de algún centro de diversión, un antro, un concierto, o donde se puedan apreciar lo que estos dispositivos pueden mostrarle a los espectadores.
ANTECEDENTES
En la actualidad existen una infinidad de mini helicópteros manejados por control remoto. Uno de ellos es el Piccoz. Estos aparatos los controlas por medio de un transmisor infrarrojo, donde le mandas las instrucciones a donde lo quieres dirigir. Contienen unos potentes motores livianos que se alimentan de una batería de litio recargable, con una duración de 10 minutos con solo una carga rápida. (Figura 1)
El proyecto Flyfire del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), utiliza micro helicópteros controlados remotamente y auto organizados con la ayuda de microcontroladores. Cada
Figura 1: Helicóptero Piccoz
helicóptero contiene pequeños leds que actúan como un pixel inteligente. Controlados mediante movimientos digitales, estos dispositivos pueden crear cualquier coreografía sincronizadamente generando formas únicas tridimensionales en el espacio (Figura 2).
Figura 2: Proyecto Flyfire del MIT.
Usando tecnología de control preciso y auto estabilización desarrollada por ARES LAB del MIT, el movimiento de pixeles es adaptable en tiempo real. El proyecto Flyfire puede transformar una figura bidimensional a una forma articulada (Figura 3).
Figura 3: Forma Articulada de Flyfire.
Lo que se pretende crear son unos objetos voladores que sean autómatas, cargándoles un programa en el micro controlador que les instruya como desplazarse en el espacio, detectar que no vallan a chocar con otro dispositivo que este a su lado y que el led ultra luminoso encienda las tonalidades que tu desees, y todo esto se lo mandaríamos a los motores
ultralivianos y a todos los dispositivos que se utilicen en conjunto con el objeto volador con la ayuda de la modulación PWM.
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Adaptar a un micro helicóptero una rutina, mediante un microcontrolador y con ayuda de PWM (Pulse Wide Modulation) manipular el movimiento, estabilidad, sincronización y las tonalidades de los Leds (RGB), para crear coreografías con varios helicópteros.
MARCO TEORICO
Actualmente, existen dispositivos que se encargan de controlar uno o más procesos y se pueden integrar en un pequeño chip. Esto es lo que hoy conocemos con el nombre de micro controlador. La utilización de este componente requiere de un periodo de aprendizaje relativamente largo, pero al entender como los puedes utilizar, puedes crear lo que se te pueda imaginar, ya sea desde controlar la iluminación de un cuarto de tu casa hasta enviar un cohete a la luna.
Un micro helicóptero que pesa 9 gramos. Se trata de un helicóptero (que cabe en la palma de la mano) dirigido por infrarrojos, con lo que el alcance no es muy grande, unos 10 metros, y prácticamente irrompible.
Es perfecto para volar en interiores, además que en el exterior por poco viento que haga al pesar tan poco lo desestabiliza. Tiene una autonomía de unos 8 minutos y unos 10 - 15 de carga. Se carga a través de las pilas del mando.
Indicaciones básicas para volar el helicóptero.
• Si la cabina del helicóptero empieza a girar sobre sí misma durante el vuelo, apretar repetidamente el botón de strim. Esto lo estabilizará.
• Debes de poner peso en el morro (los que trae el helicóptero por defecto no son suficiente) Utiliza chinchetas o clips. Si no pones, el helicóptero sólo subirá y bajará, pero nunca irá hacia delante.
• A la hora de girar, no lleves el mando inmediatamente a los extremos.
MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA (DC)
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotatorio. En la actualidad existen nuevas aplicaciones con motores eléctricos que no producen movimiento rotatorio, sino que con algunas modificaciones, ejercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen como motores lineales.
PWM
La modulación por ancho de pulsos (MAP o PWM, siglas del inglés Pulse-Width Modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una sinusoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.
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 dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la señal dientes de sierra, y el ciclo de trabajo está en función de la portadora.
JUSTIFICACION
De acuerdo a los antecedentes encontrados en la red, nos dimos cuenta que esos dispositivos voladores necesitan de una persona o varias personas que mediante un radio control o un ordenador les envíen instrucciones vía infrarroja o bluetooth, para que se muevan, coordinen, dirijan o de acuerdo a las necesidades que se tengan.
Lo que se propone en este proyecto es manejar estos objetos voladores, donde se le llamaran mini helicópteros, será que mediante un micro controlador cargarle un programa donde se le den todas las instrucciones necesarias para que vuelen de manera adecuada, sincronizando los movimientos de arriba abajo y de lado a lado, también contara un con led ultra luminoso RGB, el cual se le podrá dar la tonalidad que se desee. Todo esto se hará mediante la
modulación PWM (Pulse Wide Modulation), el controlador que se va a utilizar es el MC9S08QG8 de la familia FreeScale y en sus característica ya contiene el modulo que se requiere para realizar la programación.
OBJETIVO GENERAL
Estudiar el funcionamiento, diseñar y construir prototipos de micro helicópteros para controlar una secuencia a través de microcontroladores utilizando modulación por ancho de pulso.
METODOLOGIA
Objetivos Específicos:
• Llevar a cabo una investigación de la tecnología sobre microcontroladores, PWM, y
micro helicópteros.
• Localizar partes y material necesario para el proyecto.
• Aprender el manejo de software para el uso del micro controlador.
• Realizar el diseño de helicópteros.
• Construir el prototipo.
• Realizar pruebas de vuelo y sincronización.
• Documentar el proyecto.
• Presentación del proyecto en examen.
Etapa: Diseño
1. Llevar a cabo una investigación de la tecnología sobre microcontroladores, PWM, y micro
helicópteros.
1.1. Investigación sobre microcontroladores
Actividad 1.1.1: Investigación de microcontroladores
Requerimiento: funcionamiento de MC9S08QG8.
Actividad 1.1.2: investigación sobre PWM
Requerimiento: Funcionamiento sobre PWM.
Requerimiento: modulo TPM del MC9S08QG8...
Actividad 1.1.3: Helicóptero
Requerimiento: Partes que conforman los helicópteros
1.2. Meta 2: Partes y material del proyecto
Actividad 1.2.1: Materiales del helicóptero
Requerimiento: Buscar proveedores de micro helicópteros.
Actividad 1.2.2: Conseguir tarjeta MC9S08QG8.
Requerimiento: buscar proveedor.
2. Realizar el diseño de helicópteros.
2.1. Meta 1: Diseñar funcionamiento del helicóptero
Actividad 2.1.1: Necesidades físicas
Requerimiento: peso, moldes
Actividad 2.1.2: Realizar diseños preliminares
Requerimiento: Integración del micro controlador
Etapa: Construcción
3. Construir prototipo.
3.1. Meta 1: construir prototipo de helicóptero
Actividad 3.1.1: Mejorar diseño
Actividad 3.1.2: Sincronizar con el micro
Requerimiento: realización del software para control.
Actividad 3.1.3: Realizar más Micro helicópteros para sincronizar
Etapa: Pruebas
4. Realizar pruebas del proyecto.
4.1. Sincronización
Actividad 4.1.1: probar la sincronización con varios prototipos
Actividad 4.1.2: Perfeccionar desperfectos
5. Documentación.
5.1. Documentación
Actividad 5.1.1: Revisar el documento a entregar
Requerimiento: Revisiones del asesor
Actividad 5.1.2: Revisar ortografía.
Actividad 5.1.3: Revisar la documentación de forma correcta.
Actividad 5.1.4: Imprimir documento.
6. Presentación.
6.1. Diseño de presentación.
CALENDARIZACION
Febrero Marzo Abril MayoEtapa:Diseño
Semanas Semanas Semanas Semanas
Actividad1.1.1 1
Actividad1.1.2 2 3
Actividad1.1.3 4 1 2
Actividad1.2.0 3 2
Actividad1.2.1 3 2
Actividad1.2.2 3
Actividad2.1.0 4 1 2
Actividad2.1.1 3
Actividad2.1.2 3
Agosto SeptiembreEtapa:
ConstrucciónSemanas Semanas
Actividad3.1.0 1 2
Actividad3.1.1 1 3 4
Actividad3.1.2 1 2
Actividad3.1.3 3 4
REFERENCIAS
http://www.neoteo.com/flyfire-leds-en-el-cielo-mit.neo Marzo del 2010.
http://www.unicrom.com/Tut_PICs1.asp Marzo del 2010.
http://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_ancho_de_pulsos Marzo del 2010.
http://www.ikkaro.com/microhelicoptero-radiocontrol Marzo del 2010.
http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC9S08QG8.pdf Marzo del 2010.
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua Marzo del 2010.
Octubre NoviembreEtapa:Pruebas
Semanas Semanas
Actividad4.0.0 1
Actividad4.1.0 1
Actividad4.1.1 2
Actividad4.1.2 2
Actividad5.0.0 3
Actividad5.1.1 4
Actividad5.1.2 4
Actividad5.1.3 1
Actividad5.1.4 2
Actividad6.0.0 3
Actividad6.1.0 4
i
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ
“MINIHELICÓPTEROS CON EMISORES DE LUZ SINCRONIZADOS PARA ENTRETENIMIENTO EN
CENTROS NOCTURNOS”
Reporte técnico de proyecto de titulación elaborado por:
Aldo Omar Moreno Medina
Adrián González Villegas
Requisito para la obtención del título de
INGENIERO EN SISTEMAS DIGITALES Y COMUNICACIONES
Presentado a la Academia de Sistemas Digitales y Comunicaciones
del Instituto de Ingeniería y Tecnología de la
Universidad Autónoma de Ciudad Juárez
Noviembre de 2010
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ Instituto de Ingeniería y Tecnología
EVALUACiÓN DE EXAMEN Fecha: 29 de Noviembre del 2010 PROFESIONAL INTRACURRICULAR Horario: 19:00 - 21 :00 HRS. NIVEL: LICENCIATURA
TEMA: "Microhelicopteros emisores de luz sincronizados para ser utilizados en centros nocturnos"
Lo evaluación del examen profesional intracurricular consto de 4 partes: (Desarrollado en 1 hora)
1a._ Exposición por parte de los alumnos (máximo 20 minutos), 2a
,_ Réplica por parte del jurado, 3a
,_ Comentarios y/o recomendaciones, 4a
._ Entrego de resultados.
Nombre del alumno: Aldo Ornar Moreno Medina
2 1 'l~Calificación Maestro de la materia (30%)
Calificación Director de Trabajo (40%)
Calificación del Jurado (30%)
TOTAL
Se recomiendo que el documento se deposite paro consulto en lo BIBLIOTECA SiD NoD
Director de Trabajo Jurado Coordinador de lo Materia "Proyecto de Titulación"
Miro. Lidio Horfencia Rósc6n Madrigal D' ;/j;;["~óc Ing. Ismael nales Valdiviezo
NG DEPA r
FIRMADO EN ORIGINALFIRMADO EN ORIGINAL
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ Instituto de Ingeniería y Tecnología
EVALUACIÓN DE EXAMEN Fecha: 29 de Noviembre del 2010 PROFESIONAL INTRACURRICULAR Horario: 19:00 - 21 :00 HRS. 1\jIVEL: LICENCIATURA
TEMA: "Microhelicopteros emisores de luz sincronizados para ser utilizados en centros nocturnos"
Lo evaluación del examen profesional intracurricular consta de 4 partes: (Desarrollado en 1 hora)
1°._ Exposición por parte de los alumnos (máximo 20 minutos). 2°._ Réplica por parte del jurado. 3°._ Comentarios ylo recomendaciones. 4°._ Entrega de resultados.
Nombre del alumno: Adrian González Villegas
Calificación Maestro de la materia (30%) 3 O l.
Calificación Director de Trabajo (40%)
Calificación del Jurado (30%)
TOTAL
Se recomienda que el documento se deposite paro consulta en la BIBLIOTECA Si O NoO
Director de Trabajo Jurado Coordinador de la Materia "Proyecto de Titulación"
Mira. Lidia Hortenckscon Madrigal
Ing. Ismael Can les Valdiviezo
D,~",móc
FIRMADO EN ORIGINAL
ii
Declaración de Originalidad
Por la presente se afirma con carácter de declaración jurada que
Adrián González Villegas y Aldo Omar Moreno Medina son los únicos
autores del proyecto de titulación presentado, el cual es por ende original
en su formulación conceptual, procedimientos de investigación, desarrollo
del dispositivo volador, análisis de los resultados y conclusiones.
Adrián González Villegas
Aldo Omar Moreno Medina
iii
Dedicatorias y Reconocimientos
Dedico este proyecto a mi familia y a mi novia que siempre me han
apoyado incondicionalmente en todos los momentos que he vivido a lo
largo de toda la carrera. También a mis grandes amigos, compañeros,
maestros que me han acompañado a lo largo de toda mi vida
universitaria.
Quiero agradecer de una manera especial al asesor y al profesor
del proyecto, ya que por sus grandes conocimientos, habilidades y el gran
apoyo que nos brindaron, se hizo posible terminar este trabajo y así poder
obtener el título de ingeniero. También agradecer a mi compañero que
durante este todo este semestre, después de mucho estrés y muchas
horas invertidas en el proyecto, logramos sacarlo adelante y de manera
formidable.
Adrián González Villegas
El presente proyecto es un esfuerzo en el cual, directa o indirectamente,
participaron varias personas leyendo, opinando, corrigiendo, teniéndome
paciencia, dando ánimo, acompañando en los momentos de crisis y en los
momentos de felicidad.
Agradezco al M.C. Francisco Javier Enríquez por haber confiado en
mi persona, por la paciencia y por la dirección a este trabajo. Al Dr. Héctor
Garcés por los consejos, el apoyo y el ánimo que me brindó en la
elaboración de este proyecto y sus atinadas correcciones. Gracias
también a mi compañero Adrián González Villegas, que me apoyo y me
permitió entrar en su vida durante estos casi 4 meses de convivir dentro y
fuera del salón de clase.
iv
A mis padres, a mis hermanos, a mi abuelita y amigos que me
acompañaron en esta aventura que significó la universidad y que, de
forma incondicional, entendieron mis ausencias y mis malos momentos, y
que desde un principio hasta el día hoy siguen dándome ánimo para
concluir esta etapa.
A todos Gracias.
Aldo Omar Moreno Medina
v
Lista de Tablas
Tabla 2.1 Clasificación del espectro electromagnéticos…………………….4
Tabla 2.2 Diferencias entre los protocolos Bluetooth y ZigBee…………….7
Tabla 7.1 Tramas de datos……………………………………………………36
vi
Lista de Figuras
Figura 2.1 Módulo nRF24L01………………………………………………….8
Figura 2.2 Envío de datos nRF24L01…………………………………………8
Figura 2.3 Módulo RF-IS0003………………………………………………….9
Figura 2.4 Pines externos del módulo RF-IS0003………………………….10
Figura 3.1 Arquitectura Von Neumann………………………………………13
Figura 3.2 Diagrama de bloques del MC9S08QG8………………………...14
Figura 3.3 Pines externos MC9S08QG8…………………………………….15
Figura 3.4 Modulación de Ancho de Pulso………………………………….16
Figura 3.5 Tablilla DEMO9S08QG8………………………………………….17
Figura 4.1 Acelerómetro MMA7660………………………………………….21
Figura 4.2 Protocolo I²C…….………………………………………………...22
Figura 4.3 PCB del acelerómetro…………………………………………….23
Figura 4.4 Maquina cortadora de la empresa LPKF………………….……24
Figura 4.5 Horno para circuitos eléctricos…………………………………..25
Figura 5.1 MAX3218…………………………………………………………..27
Figura 5.2 MOSFET……………………………………………………………28
Figura 6.1 Diagrama de Bloques del proyecto……………………………...31
Figura 6.2 Diagrama de estados……………………………………………..33
Figura 7.1 Estudio del helicóptero……………………………………………34
Figura 7.2 Pruebas en el helicóptero………………………………………...35
Figura 7.3 Diagrama de bloques del transmisor……………………………37
Figura 7.4 Diagrama de bloques del receptor………………………………39
Figura 7.5 Comunicación inalámbrica entre la PC y MC9S08QG8………40
Figura 7.6 Comunicación entre MC9S08QG8………………………………41
Figura 7.7 Comunicación entre MC9S08QG8 con botones……………….41
vii
Contenido Declaración de Originalidad ........................................................................................... ii
Dedicatorias y Reconocimientos................................................................................... iii
Lista de Tablas ................................................................................................................. v
Lista de Figuras ................................................................................................................vi
Contenido ......................................................................................................................... vii
Capítulo 1 .......................................................................................................................... 1
Introducción ....................................................................................................................... 1
Capítulo 2 .......................................................................................................................... 3
Comunicaciones inalámbricas a corta distancia ......................................................... 3
2.1 Protocolos de Comunicación ............................................................................... 4
2.3 Módulos de radiofrecuencia ................................................................................. 7
Capítulo 3 ........................................................................................................................ 11
Microcontroladores......................................................................................................... 11
3.1 Microcontroladores MC9S08QG8 ..................................................................... 11
3.2 Modulación por ancho de pulsos PWM ............................................................ 15
3.3 Programación del Microcontrolador .................................................................. 16
Capítulo 4 ........................................................................................................................ 19
Acelerómetros ................................................................................................................. 19
4.1 Acelerómetro MMA7660FCR1 .......................................................................... 20
4.3 Circuito del acelerómetro MMA7660FCR1 ...................................................... 22
Capítulo 5 ........................................................................................................................ 26
Dispositivos Electrónicos Adicionales ......................................................................... 26
5.1 MAX 3218 ............................................................................................................. 26
5.2 MOSFET ............................................................................................................... 28
5.3 Diodo Emisor de Luz (LED) ............................................................................... 29
Capítulo 6 ........................................................................................................................ 31
Descripción del minihelicóptero ................................................................................... 31
viii
Capítulo 7 ........................................................................................................................ 34
Resultados ...................................................................................................................... 34
7.1 Pruebas en el helicóptero ................................................................................... 34
7.2 Pruebas con la comunicación inalámbrica ...................................................... 36
Capítulo 8 ........................................................................................................................ 42
Conclusiones................................................................................................................... 42
Referencias ..................................................................................................................... 44
1
Capítulo 1
Introducción
En los centros nocturnos para hacer la noche más divertida y amena, a
demás de una buena música, existen luces de neón, luces de laser,
cañones de luz, luces inteligentes las cuales son las que se mueven al
compás de la música y de los ritmos de la pista de baile, máquinas de
humo, gente que crea personajes como modo de diversión extra, y todo
esto con un fin, que la persona que visite ese lugar tienda a regresar, ya
que se siente atraído por la tecnología que hoy en día se puede tener al
alcance.
El prototipo a realizar en este proyecto, se desenvolverá en los
ambientes nocturnos y de preferencia cerrados, ya que son varios objetos
voladores sincronizados que contienen un diodo emisor de luz LED (Light
Emisor Diode) ultra-luminoso. Esta idea nace de crear un ambiente
diferente en el cielo, ya sea dentro de algún centro de diversión, un antro,
un concierto, o donde se puedan apreciar lo que estos dispositivos
pueden mostrarle a los espectadores.
Adaptar a un mini-helicóptero una rutina, mediante un micro
controlador y con ayuda de modulación de ancho de pulso PWM (Pulse
Width Modulation) manipular el movimiento, estabilidad, sincronización y
las tonalidades de los leds RGB (Rojo, Verde y Azul), para crear
coreografías con varios helicópteros.
2
Se trata de un mini-helicóptero (que cabe en la palma de la mano)
dirigido por radiofrecuencia, por lo que tiene un buen rango de alcance, de
unos 30 metros, y prácticamente inmune a interferencias
Los objetivos específicos que se tienen en este proyecto son
mejorar la estabilidad del helicóptero asimismo controlar el movimiento de
las hélices mediante PWM, también con el apoyo de módulos
inalámbricos de radiofrecuencia, crear una interfaz inalámbrica entre el
helicóptero y el usuario y por último, controlar un diodo led RGB. Todo lo
anterior con el propósito de entretenimiento de las personas dentro del
centro nocturno.
3
Capítulo 2
Comunicaciones inalámbricas a corta distancia
En las últimas décadas, se han desarrollado diversas formas de
comunicación, teniendo la posibilidad de establecer enlaces por medio de
redes alámbricas e inalámbricas. Esta facilidad genera una nueva
necesidad que es la de comunicarse de manera personal y en cualquier
lugar que se desee. El modelo de comunicaciones punto a punto está
pasando a ser de persona a persona, para poder lograr esto es necesario
que se pueda establecer una comunicación desde cualquier punto donde
pueda uno encontrarse, implicando que esta debe de ser de forma
inalámbrica y que no dependa de ningún otro sistema para que pueda
conectarse en puntos específicos porque esto limitaría la movilidad del
usuario.
A causa de una sociedad como la actual, en donde las personas
están en constante desplazamiento, la movilidad se ha convertido en un
aspecto clave ya que la red inalámbrica tiene que soportar los cambios de
ubicación de sus usuarios para que no haya ninguna pérdida de
información. Así pues, se sabe que los sistemas de telefonía celular son
los que tienen mayor movilidad, pero en este caso, el proyecto se refiere a
comunicaciones de corto alcance ya que se necesitara de una red
inalámbrica por medio de ondas de radiofrecuencia para poder controlar
los aparatos voladores.[1]
Lo inalámbrico ha adoptado una manera más sencilla y cómoda de
manejar toda clase de dispositivos electrónicos con el fin de mejorar el
confort y las comunicaciones en general. Se compone de una amplia
4
gama de diferentes estándares y tecnologías. Normalmente estos tipos de
comunicaciones se dividen en inalámbricas de corto alcance y de largo
alcance. La primera, la cual es la de interés para este proyecto, puede
abarcar rangos de hasta 100 metros, después de esa distancia se dice
que es de largo alcance. [2]
2.1 Protocolos de Comunicación La radiofrecuencia son ondas electromagnéticas con un espectro entre los
3Hz y los 300GHz, los cuales se transmiten aplicando corriente alterna
originada en un convertidor y esta se manda por una antena, generando
un par de campos uno eléctrico y el otro magnético ortogonales entre sí.
La clasificación del espectro electromagnético se muestra a continuación
en la tabla 2.1:
Tabla 2.1 Clasificación del espectro electromagnético
Nombre Abreviatura inglesa Frecuencias Longitud de
onda < 3 Hz > 100.000 km
Extra baja frecuencia (Extremely low Frequency) ELF 3-30 Hz
100.000–10.000 km
Super baja frecuencia (Super low Frequency) SLF 30-300 Hz
10.000–1.000 km
Ultra baja frecuencia (Ultra low Frequency) ULF
300–3.000 Hz
1.000–100 km
Muy baja frecuencia (Very low Frequency) VLF 3–30 KHz 100–10 km Baja frecuencia (Low Frequency) LF 30–300 KHz 10–1 km Media frecuencia (Medium Frequency) MF
300–3.000 KHz 1 km – 100 m
Alta frecuencia (High Frequency) HF 3–30 MHz 100–10 m Muy alta frecuencia( Very high Frequency) VHF 30–300 MHz 10–1 m Ultra alta frecuencia (Ultra high Frequency) UHF
300–3.000 MHz
1 m – 100 mm
Super alta frecuencia (Super high Frequency) SHF 3-30 GHz 100–10 mm Extra alta frecuencia (Extremely high frequency) EHF 30-300 GHz 10–1 mm > 300 GHz < 1 mm
5
Para poner una onda electromagnética en el espacio se necesita
una serie de elementos: por ejemplo una emisora de radio, en este caso
se transmitirán datos, estos se convierten en corrientes eléctricas que un
emisor se encarga de transformar en un flujo eléctrico de alta frecuencia
(RF), entonces se aplica a una antena de emisión que es la encargada
de enviar las corrientes del emisor en ondas electromagnéticas.
Al conectar el oscilador directamente a la antena, la potencia de
salida sería muy pequeña y va a estar ligada al alcance de la emisora, ya
que a más potencia mas alcance de las ondas, Para evitar estos
inconvenientes, entre el oscilador y la antena, se colocan una serie de
amplificadores de potencia para estos casos, que se llaman
amplificadores de radiofrecuencia. A cada amplificador se le denomina
etapa, un emisor tendrá tantas etapas como sean necesarias para dar su
potencia necesaria a la salida. A la primera etapa, la que va
inmediatamente detrás del oscilador, se le denomina amplificador
separador o buffer, a las etapas que siguen del buffer se le va
denominando consecutivamente primera etapa de potencia, segunda
etapa de potencia, etc. Al amplificador final, el que va conectado a la
antena, se le denomina amplificador final de potencia. [3]
A continuación se describirán algunas de las tecnologías
inalámbricas más usadas para las comunicaciones a corta distancia:
Bluetooth y Zig Bee. El protocolo Bluetooth es una especificación
industrial creada para redes inalámbricas de área personal WPAN
(Wireless Personal Area Network), fue creado originalmente por la
empresa de comunicaciones móviles Ericsson y estandarizado bajo la
referencia de IEEE 802.15.1. Esta tecnología inalámbrica funciona
mediante ondas de radio de corto alcance (2.4GHZ), cuyo objetivo es
simplificar las comunicaciones entre dispositivos electrónicos, como
6
laptops, teléfonos móviles, ayudantes personales digitales PDAs
(Personal Digital Assistant), impresoras, cámaras digitales y consolas de
video. Debido a su potencia de transmisión, este dispositivo se clasifica
en tres formas: clase 1; con un rango aproximado de 100 metros, clase2;
25 metros y clase 3 de 1 metro, siendo totalmente compatibles unos con
otros. [4]
Otro protocolo es el llamado ZigBee con un estándar de referencia
IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal WPAN, se
comunica con una serie de dispositivos por medio de ondas de radio
digitales, haciendo que trabajen más eficientes entre sí, es un transmisor
y una receptor que trabajan mediante una baja potencia y tiene como
objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con un
bajo paquete de datos a enviar y con esto maximizar la vida útil de sus
baterías. Puede trabajar en conexiones con diversos tipos de topología,
como estrella, punto a punto, malla y árbol, por lo tanto lo hace mas
seguro, barato y no habrá ninguna dificultad a la hora de su construcción
ya que es muy sencilla. Es un sistema ideal para usarse dentro de
dispositivos de automatización de hogares, de edificios, en control
industrial, periféricos de computadoras personales y en sensores
médicos. [4]
A continuación en la tabla 2.2 s muestra un resumen de las
diferencias entre los protocolos Bluetooth y ZigBee.
7
Tabla 2.2 Diferencias entre los protocolos Bluetooth y ZigBee
Comparación de las tecnologías inalámbricas
Características Bluetooth ZigBee
Bandas de Frecuencia 2.4Ghz 2.4 GHz, 868/915MHz
Tamaño Pila ~1Mb ~20Kb
Tasa de Transferencia
1Mbps
250Kbps(2.4GHz),
40Kbps(915MHz),
20 Kbps (868MHz)
Número de Canales
79
16 (2.4GHz),
10 (915MHz),
1 (868MHz)
Tipos de datos Digital, Audio Digital( Texto)
Numero de dispositivos 8 255/65535
Requisitos de Alimentación Días de Batería Años de batería
Arquitectura Estrella
Estrella, Árbol,
punto a punto, malla
Mejores Aplicaciones Computadoras y teléfonos
Control de bajo costo y
monitoreo
Precio Accesible Bajo
Complejidad Complejo Simple
2.3 Módulos de radiofrecuencia
El módulo nRF24L01, figura 2.1, el cual no se utilizó en este proyecto,
debido a que se llego a la conclusión después de varias pruebas que
estaban dañados, este dispositivo es de la marca Nordic Semiconductor,
es bidireccional, funciona en la banda de 2.4GHz, asimismo está
incorporado al protocolo de banda base (Enhanced ShockBurst™), el cuál
funciona mandando una señal de transmisión mediante un mismo canal.
El nRF24L01 trabaja mediante un bus de interface periférica serial SPI
(Serial Peripheral Interface) y depende de un microcontrolador para
8
plantear un sistema de comunicación. Su diseño es para aplicaciones
inalámbricas con energía ultra baja en un rango de 1.9v a 3.6v.
Figura 2.1 Módulo nRF24L01
El protocolo Enhanced ShockBurst™ está basado en un paquete
de comunicación que soporta varios modos de operación, ya sea de
manual o autónomo. Los datos se envían en base al primero que entra,
primero que sale FIFO (First In, First Out) como se muestra en la figura
2.2, con esto se garantiza un tranquilo flujo de datos entre el módulo y el
microcontrolador. El sistema permite un alto rendimiento en
comunicaciones a bajo costo, ya que se utilizan microcontroladores
económicos y pocos dispositivos externos para su manipulación. Además
tiene un mejor rendimiento energético en los sistemas unidireccionales y
bidireccionales. [5]
Figura 2.2 Envío de datos nRF24L01
9
El módulo serial inalámbrico modelo RF-IS0003, figura 2.3, el cual
se utilizó en este proyecto, debido a su bajo costo y fácil manejo de
operación. En dicho dispositivo se tuvieron algunos problemas para
entender su funcionamiento ya que al tratar de conseguir una hoja de
especificaciones, no se logró encontrar, debido a que el fabricante
MDFLY no la maneja. Por lo que se prefirió realizarle diversas pruebas
para entender su funcionamiento, ancho de la palabra de datos, la mejor
frecuencia de operación del RS-232, paridad, interrupciones, etc.
• Figura 2.3 Módulo RF-IS0003
Sus especificaciones son las siguientes: opera en la banda
reservada de uso comercial ISM (Industrial, Scientific and Medical) de los
2.4 GHz, con un rango de transmisión de hasta 30 metros, con una tasa
de bits por segundo (Baud Rate) de 9600 bps y funciona con una
frecuencia entre 2400 y 2483 MHz gracias a que es construido con una
antena de 2.4GHz y trabaja con una alimentación de 5 volts. En el
prototipo, la banda de frecuencia que se utiliza es ultra alta frecuencia
UHF (Ultra high frequency). [6]
10
En la figura 2.4 se muestra la asignación de los pines externos, en
los cuales se encuentra la alimentación de 5 voltios, la tierra, el pin de
transmisión y el de recepción:
Figura 2.4 Pines externos del módulo RF-IS0003
11
Capítulo 3
Microcontroladores
Los microcontroladores han sido desarrollados para realizar una infinidad
de aplicaciones. Se utilizan en equipos de comunicaciones y de telefonía,
en instrumentos electrónicos, en la televisión digital, en la industria
automotriz, en equipos médicos e industriales de todo tipo, en
electrodomésticos, en juguetes, etc.
Los microcontroladores están pensados fundamentalmente para
ser utilizados en aplicaciones donde se deban realizar un número de
tareas al menor costo posible. En estas aplicaciones, se ejecuta un
programa almacenado permanentemente en su memoria, el cual trabaja
con algunos datos almacenados temporalmente e interactúa con el
exterior a través de las líneas de entradas y salidas que posee.
Existen varios tipos de microcontroladores, sin embargo los más
conocidos son las familias de Microchip, Intel y Freescale, anteriormente
llamado Motorola. Todos producen una gran variedad de dispositivos
programables que son de alta calidad, muy potentes, de bajo coste y
además de proporcionar gran rendimiento. [7]
3.1 Microcontroladores MC9S08QG8
Así pues, debido a las exigencias del proyecto, se utilizara el
microcontrolador MC9S08QG8 de 8 bits de la familia de Freescale, ya que
12
cumple con las expectativas del trabajo a realizar. Además se puede
destacar la simplicidad, prestaciones, facilidad de uso y precio accesible,
lo ha convertido en un dispositivo popular entre los usuarios de este
fabricante. La empresa de Freescale Semiconductors es líder en la
industria de semiconductores que se enfoca a proveer procesamiento
embebido y productos de conectividad.
La unidad central de procesamiento CPU (Central Processing Unit)
del microcontrolador está basado en la arquitectura de Von Neumann
(también conocida como Princeton), con un conjunto de instrucciones de
computadora complejos CISC (Complex Instruction Set Computer). Se
caracteriza por usar un bus de datos común compartido entre la memoria
y los periféricos, además de un bus de direcciones, el cual es responsable
de seleccionar la dirección de memoria o el registro de periférico al que se
quiere acceder y por último, un bus de control que se encarga de controlar
el tipo de operación a ser ejecutada. Esto significa que el CPU solo ve un
espacio de dirección en que se comparten los datos del usuario y el
código de aplicación, como se observa en la figura 3.1. El modelo CISC,
se determina por tener un conjunto de instrucciones muy amplio y se
permiten operaciones complejas entre datos situados en la memoria o
registros internos. En la figura 3.1 se puede ver una mejor explicación de
esta arquitectura. [8]
13
Figura 3.1 Arquitectura Von Neumann
Las características principales son que contiene una memoria
Flash de 8 Kbyte, la cual es donde se almacena el programa del sistema,
también cuenta con una memoria RAM de 512 bytes donde se almacenan
los datos temporales que se utilizan en el programa, incluye una oscilador
que se puede configurar hasta 20 MHz con el cristal interno y adaptándole
uno externo puede alcanzar hasta 40 MHz, este dispositivo sirve para
sincronizar el funcionamiento de todo el sistema por medio una señal de
reloj, contiene 14 pines que se pueden utilizar como entradas o salidas (6
pines del puerto A y 8 para el puerto B), en la figura 3.2 se observa el
diagrama de bloques. [9]
14
Figura 3.2 Diagrama de bloques del MC9S08QG8 (Tomado de la hoja de datos del MC9S08QG8)
Además cuenta un periférico para convertir señales análogas a
digitales ADC (Analog-Digital Converter), también con una interface de
comunicaciones serial SCI (Serial Communications Interface), este se
utilizara para controlar el modulo receptor, así mismo soporta el protocolo
de puerto serial RS232 con el cual se manipulara a los módulos
transmisores de radiofrecuencia. Para la alimentación del MC0S08QG8
en este caso, será de 5 voltios, ya que se manejaran motores de eso
voltaje corriente directa DC, pero normalmente se le suministran 3.6
voltios. En la figura 3.3 se muestran los pines externos del MC9S08QG8.
15
Figura 3. 3 Pines externos MC9S08QG8 (Tomado de la hoja de datos del MC9S08QG8)
Para este proyecto se utilizara la interface de comunicaciones
serial SCI (Serial Communication Interface), donde la información es
transmitida en forma serial, esto es bit por bit. Estos datos son enviados
de forma asíncrona, utiliza el sistema full-Dúplex, ya que el envió y
recepción son simultáneos, además se puede programar para que se
envíen 8 o 9 bits dependiendo de las exigencias del proyecto y por ultimo
también consta de un modulo divisor de 13 bit, para programar la tasa de
envió de datos (Baud Rate) para poder configurar los módulos
inalámbricos a 9600 bps y así lograr entablar la comunicación como se
requiera.
3.2 Modulación por ancho de pulsos PWM
La modulación por ancho de pulsos PWM (Pulse Width Modulation) de
una señal es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una
señal periódica (sea senoidal o cuadrada) para controlar la cantidad de
energía que se envía a una carga. El ciclo de trabajo de una señal
periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el
16
periodo de la misma. Este se tendrá que regular para que cuando se
necesite un voltaje alto, los ciclos de trabajo deberán ser lo más grande
posible, en cambio cuando se requiera un voltaje pequeño el tamaño del
ciclo de trabajo será mínimo. [10]
En la figura 3.4, se muestra como se utilizara el PWM, para regular
los voltajes que se enviaran por los puertos de salida del
microcontrolador, ya que se necesitaran tres tipos de voltajes, uno alto
para que se eleve el helicóptero, uno mediano para que mantenga su
altura y uno bajo para que descienda.
Figura 3.4 Modulación de Ancho de Pulso
3.3 Programación del Microcontrolador
El microcontrolador se programa mediante CodeWarrior, es un software
de entorno de desarrollo aplicado IDE (Integrated Development
Environment) que se ejecuta mediante Windows. Con este entorno se
pueden generar aplicaciones para los microcontroladores, ya que consta
17
de un editor de código, un compilador, un depurador y un constructor de
interfaz gráfica. Además puede trabajar con lenguajes de programación
como: C, C++ y ensamblador. Este software incluye también un simulador
en pantalla en tiempo real, para comprobar cómo evoluciona tanto los
puertos de salida y entrada, los registros, la memoria de datos RAM, el
código paso por paso, según el progreso de la ejecución del programa.
Para poder programar el microcontrolador con el código ya creado en
CodeWarrior se necesita un programador llamado DEMO9S08QG8 que
mediante un conector de USB-BDM se configura una comunicación con la
computadora logrando así enviar el código directo al micro controlador. El
DEMO9S08QG8, como se muestra en la figura 3.5, es un tablero de
demostración para el microcontrolador MC9S08QG8. Se pueden
desarrollar aplicaciones de manera rápida y sencilla con la integración del
puerto USB-BDM. [11]
Figura 3.5 Tablilla DEMO9S08QG8
18
Un conector de 32 pins le permite a el tablero conectarse con el
exterior por medio de cables, además contiene salidas que son
importantes como los puertos de comunicación RS-232, SCI, SPI y un
modulo de I²C, ya que estas serán las que se utilizaran para la realización
del proyecto.
19
Capítulo 4
Acelerómetros
La miniaturización de máquinas electromecánicas o MEMS
(Microelectromechanical System) ya es una realidad de estos días.
Indudablemente, estos microdispositivos ya se están empleando para la
fabricación de acelerómetros, los cuales se presentan en las bolsas de
aire de los automóviles para determinar el momento justo en que se
produce un choque y disparar así el mecanismo de inflado de las bolsas.
Este mismo tipo de MEMS se emplean como elementos de navegación,
particularmente en la industria aeroespacial, pero también se prevén
aplicaciones como sensores de presión, temperatura y humedad. Se los
ha incorporado en marcapasos, para censar la actividad física del
paciente y modificar su ritmo cardíaco.
Además para evitar falsificaciones de firmas, se está pensado
incorporar estos acelerómetros en bolígrafos. De esta manera, no sólo
estaría registrado el trazo particular de la firma sino también las
velocidades y aceleraciones que se le aplica la mano al bolígrafo mientras
se firma, lo cual haría mucho más difícil su falsificación. También se
emplean MEMS en los cabezales de las impresoras de chorro de tinta,
produciendo la evaporación controlada de la tinta en el momento justo.
Asimismo, la ventaja del tamaño de estos dispositivos está en el hecho de
que se pueden fabricar en grandes cantidades reduciendo notablemente
su costo de fabricación. [12]
La micro ingeniería es la parte de la ingeniería que está
relacionada con la aplicación de las técnicas desarrolladas en el sector
20
electrónico para la manufactura de componentes en miniatura, con
tolerancias en la región de un micrón (1*10^-6m) de forma precisa y a
bajo costo.
Las necesidades de la técnica MEMs, movilidad, economía, rapidez
precisión, etc., han ocasionado que sea preciso construir componentes
miniaturizados manteniendo las funcionalidades de los de mayor tamaño.
El avance tecnológico, ha impulsado la necesidad de aumentar
constantemente la capacidad y velocidad de los diferentes dispositivos,
consiguiendo otras ventajas como lo son las de mayor precisión y
reducción de costos. [13]
4.1 Acelerómetro MMA7660FCR1
Con respecto a este acelerometro, sus medidas son de 3mm x 3mm
x1mm, como se muestra en la figura 4.1, contiene 3 ejes, los cuales le
ayudan a tener una excelente orientación, y particularmente se utilizara
para tener una buena estabilidad en el helicóptero, también consta de una
salida digital por medio de I²C (Circuitos Inter- Integrados), el cual es un
bus de comunicaciones en serie. El acelerómetro también proporciona
información sobre factores tan importantes como las vibraciones, la
inclinación, y el golpeteo. [14]
21
Figura 4.1Acelerómetro MMA7660FCR1
Para hacer una interconexión más simple entre dispositivos hacia
un microcontrolador se creó un bus bidireccional basado en dos líneas por
los que se transmiten datos en forma serial, al cual se le llama protocolo
I²C. Las líneas SDA (datos) y SCL (reloj), son bidireccionales y mediante
una resistencia de polarización (pull-up) se conecta a positivo de modo
que en reposo este en nivel alto. Para hacer la transferencia de datos se
necesita que SDA esté estable cuando el periodo del reloj este en nivel
alto ya que SDA solo puede cambiar cuando SCL se encuentre en nivel
bajo, como se muestra en la figura 4.2.
22
Figura 4.2 Protocolo I²C
El microcontrolador se configurará para que por medio del bus I²C,
se tenga una comunicación bidireccional, y con estos lograr que el
acelerómetro este realimentando al MC9S08QG8, y este con el programa
adecuado este mandando los voltajes que se requieran para que el
helicóptero este en constante equilibrio. [15]
4.3 Circuito del acelerómetro MMA7660FCR1
Para la realización del circuito impreso donde se instalara el acelerómetro
que se utilizara en el proyecto se necesito del software ARES 7
Professional para la creación de la pistas, como se muestra en la figura
4.3, ya que el dispositivo es demasiado pequeño y no se podía crear con
un proceso de tipo manual.
23
Figura 4.3 PCB del acelerómetro
Una vez terminado el diagrama de pistas se guardo en una
memoria USB para llevarlo al laboratorio de electrónica de la UACJ,
donde se cuenta con una máquina sofisticada de la empresa alemana de
nombre LPKF que se encarga de cortar la tablilla de cobre con el diseño
del circuito impreso PCB (Printed Circuit Board) que se desee, como se
muestra en la figura 4.4.
24
Figura 4.4 Maquina cortadora de la empresa LPKF
Ya terminado el circuito impreso, el acelerómetro se colocó con
mucha precisión sobre las pistas previamente marcadas con una pasta de
soldadura. El propósito de emplear soldadura en pasta es que el circuito
impreso con los componentes montados se introduce a un horno
fabricado especialmente para circuitos electrónicos, el cual se muestra en
la figura 4.5, al aumentar la temperatura la soldadura se funde pegando
los pines del dispositivo anteriormente descrito.
25
Figura 4.5 Horno para circuitos eléctricos
26
Capítulo 5
Dispositivos Electrónicos Adicionales
Debido a la complejidad del proyecto a realizarse, se necesitaran algunos
dispositivos extras para satisfacer las necesidades de lo propuesto. Se
necesitara de un max3218, que se usara para que se pueda entablar la
comunicación entre el puerto RS-232 y el modulo inalámbrico RF-IS0003,
también se utilizara un MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor), ya que su función será recibir las señales que se crearán
mediante la modulación de ancho de pulso PWM y convertirlas a voltajes
dependiendo del ancho del ciclo de trabajo, y además por requerimientos
de diseño se acoplara un Diodo Emisor de Luz (LED) de 7 colores.
5.1 MAX 3218
El MAX3218 del fabricante MAXIM, es un circuito integrado que convierte
los niveles de las líneas de un puerto serie RS-232 a niveles de lógica de
transistor transistor TTL (Transistor-Transistor Logic), y viceversa.
Necesita de una alimentación de entre 1.8 a 4.25 voltios, ya que genera
internamente algunos voltajes que son necesarias para que funcione el
estándar RS-232. Este dispositivo soluciona la conexión necesaria para
lograr comunicación entre el puerto serie de una computadora personal y
cualquier otro circuito de funcionamiento en base a señales de nivel
TTL/CMOS. Una nueva característica llamada AutoShutdown, reduce el
consumo de corriente a 1μA, ya que cuando no se tienen niveles de señal
en las entradas del receptor, la alimentación de voltajes se apaga,
27
dándole una vida más prolongada a la batería, su circuito se muestra en
la figura 5.1. [16]
Figura 5.1 MAX3218
Se optó por trabajar con el MAX3218 que viene integrado en el
DEMO9S08QG8, ya que este consta con todos los dispositivos
necesarios para el buen rendimiento del convertidor. Para configurar este
circuito se debe activar la interface SCI en el código del programa,
además contiene un puente instalado en la tablilla, y este elemento esta
interconectado sobre unos pines que son los que habilitan o deshabilitan
el puerto RS-232, al removerlo automáticamente se activa este puerto, así
como todos los circuitos necesarios para que funcione de manera
adecuada.
28
5.2 MOSFET
El transistor de efecto de campo de semiconductor metal óxido MOSFET,
en un sustrato de silicio. Es un dispositivo controlado por voltaje, además
de ser extremadamente veloz en virtud a la pequeña corriente necesaria
para liberar el canal. Por esta facultad se los usa ampliamente en
conmutación. Su velocidad permite diseñar etapas con grandes anchos
de banda minimizando, así, lo que se denomina distorsión por fase
La característica constructiva común a todos los tipos de transistor
MOS es que el terminal de puerta está formado por una estructura de tipo
Metal/Óxido/Semiconductor. El óxido es aislante, con lo que la corriente
de puerta es prácticamente nula. Por ello, los MOS se emplean para tratar
señales de muy baja potencia
Tiene dos versiones canal N y canal P. En el MOSFET de canal N
la parte "N" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain). En el
MOSFET de canal P está conectado a la fuente y al drenaje, como se
muestra en la figura 5.2.
Figura 5.2 MOSFET
29
Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión
positiva se debe aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de
la fuente y el drenaje son atraídos a la compuerta y pasan por el canal P
entre ellos. El movimiento de estos electrones, crea las condiciones para
que aparezca un puente para los electrones entre el drenaje y la fuente.
La amplitud o anchura de este puente (y la cantidad de corriente)
depende o es controlada por la tensión aplicada a la compuerta. [17]
Para este proyecto se utilizara el MOSFET IRF740, el cual es de
canal N, empieza a trabajar a los 4 voltios y soporta hasta 10 amperes,
cumpliendo con los requerimientos necesarios.
5.3 Diodo Emisor de Luz (LED)
Un led consiste en un dispositivo que en su interior contiene un material
semiconductor que al aplicarle una pequeña corriente eléctrica produce
luz. La iluminación emitida por este dispositivo es de un determinado color
que no produce calor, por lo tanto, no se presenta aumento de
temperatura como si ocurre con muchos de los dispositivos incandecentes
emisores de luz.
El color que adquiera la luz emitida por este dispositivo dependerá
de los materiales utilizados en la fabricación de este. En realidad
dependerá del material semiconductor, que dará una luz que puede ir
entre el ultravioleta a el infrarrojo, incluyendo en el medio toda la gama de
colores visibles al ojo humano. [18]
30
Muchas son las ventajas de la utilización de diodos led, entre las
que se encuentra su reducido tamaño en comparación a una bombilla
común, dando ambas la misma luminosidad. Por otra parte, su duración
es considerablemente mayor, ya que un diodo led tiene la capacidad de
mantenerse encendido por 50,000 horas, esto significa que puede
funcionar por 6 años en continuo. Sin embargo, su alto precio hace que
estos dispositivos aún no sean de uso común en nuestros hogares, pero
comienzan a ganar terreno en los hogares con la invención de televisores
de leds y una gran importancia en nuestras calles como en los semáforos.
31
Capítulo 6
Descripción del minihelicóptero
El objetivo principal de este proyecto, es establecer una comunicación
inalámbrica entre dos microcontroladores, para así poder controlar un
helicóptero mediante ondas electromagnéticas de radiofrecuencia como
se muestra en la figura 6.1
Figura 6.1 Diagrama de bloques del proyecto
En el diagrama de bloques se observa todo el funcionamiento del
sistema objetivo de este proyecto, se empieza por el control que
contendrá un interruptor de prendido/apagado, además de 4 botones los
32
cuales se utilizaran para mandar la señal de vuelo del helicóptero de:
arriba, abajo, enfrente y atrás, los cuales estarán conectados a la tablilla
programadora DEMO9S08QG8, ya que para la transmisión de datos se
utilizara el puerto RS-232 y esta tarjeta tiene integrado el circuito
MAX3218, el cual sincroniza los voltajes positivos y negativos para que se
transfieran correctamente los datos al transmisor de radiofrecuencia y
este los envíe inalámbricamente al helicóptero.
En el helicóptero se pondrá el módulo receptor el cual está
conectado al MC9S08QG8 mediante la interface de comunicaciones serial
SCI, al llegar los datos a el microcontrolador, los decodificará y comparará
con los casos que están generados en el programa, al encontrar al que
corresponde, este tendrá determinada una señal PWM la cual se enviara
por puerto de salida y llegara al MOSFET, que será el encargado de
convertir la los ciclos de trabajo a voltaje, este variará dependiendo del
tamaño en nivel alto del ciclo de trabajo ya que entre más grandes sean
estos ciclos, mas será el voltaje de salida y viceversa.
El helicóptero contiene un interruptor ON/OFF que al momento de
encenderlo, se le cargaran 4 volts para que empiece a volar en un estado
fijo, inmediatamente se encenderá el led RGB (Red Green Blue) para que
esté cambiando de tonalidades, instantes después se lo programara que
suba 2 metros, para hacer esto se le suministraran 5 volts por unos
cuantos segundos, y cuando llegue a la altura deseada, se mantendrá en
esa posición, ahí se le podrán cargar las secuencias que se desee, ya sea
que dure un tiempo subiendo y bajando (en estado en el que sube se
necesitan 5 volts y en el bajo se necesitan de 3 volts), al terminar esta
rutina que se mantenga en un estado fijo unos segundos y después que
se mueva de enfrente para atrás otro lapso de tiempo (para moverlo de
esta manera se necesita energizar el motor de dirección con 2 volts), con
33
el led funcionando con los colores que se necesite. Antes de apagar el
helicóptero, se le programara que baje 2 metros, y después se le corte la
corriente a los motores y al led. A continuación se describe lo anterior en
un diagrama de estados, figura 6.2.
Figura 6.2 Diagrama de estados
34
Capítulo 7
Resultados
7.1 Pruebas en el helicóptero
Para poder estudiar el comportamiento del helicóptero, se tuvo que
desarmar desmontando la carcasa, como se muestra en la figura 7.1,
para poder observar de qué se compone internamente, contenía un
circuito con varias resistencias, un microcontrolador que no se pudo
reconocer ya que no contenía nada de información, además incluía una
pila de 5 volts y un receptor infrarrojo, ya que este aparato anteriormente
se controlaba mediante ese tipo de comunicación.
Figura 7.1 Estudio del helicóptero
35
Se hicieron pruebas en los motores del helicóptero para ver los
voltajes con los que opera, se encontró que opera a un voltaje de 0 a un
voltaje máximo de 5 volts y la hélice secundaria trabajara de 0 a 2v, con
una corriente máxima de un ampere, esta prueba se realizo aplicándole
voltaje directo mediante una fuente del laboratorio, como se muestra en la
figura, se empezó desde los cero voltios y a partir de los tres voltios se
empezó a ver un comportamiento interesante, a esa cantidad de energía
se observó que el aparato bajaba suavemente si se dejaba caer de una
distancia considerable, de ahí se aumento hasta cuatro voltios
manteniéndose en el aire en una posición más estable, y para finalizar la
prueba a los cinco volts se elevaba en una velocidad formidable, como se
observa en la figura 7.2.
Figura 7.2 Pruebas en el helicóptero
En la siguiente tabla 7.1, se muestran los datos que fueron
recabados en las pruebas que se hicieron anteriormente mencionadas.
36
Tabla 7.1 Voltajes en los motores
Voltaje Hélices Principales 0V Sin movimiento 3V Desciende lentamente 4V Se mantiene en aire 5V Sube Lentamente
7.2 Pruebas con la comunicación inalámbrica
Para poder programar el microcontrolador con el propósito de gobernar al
módulo transmisor, se apoyó en el diagrama de bloques que aparece en
la hoja de datos, como se muestra en la figura 7.3. En la inicialización del
programa se declaró SCIC2_TE=1; esto se refiere a que el módulo será el
transmisor, ya que si se declara en cero, se desactiva su función y no
realiza ninguna tarea, también el registro de datos vacios del transmisor
SCIS1_TDRE=1, estableció a uno ya que con esto se limpia esta bandera
para poder estar recibiendo nuevos datos y este nunca se llene, y por
último SCIS1_OR=1, este registro sirvió para que en la bandera del
receptor siempre se esté limpiando sola y pueda estar recibiendo datos
constantemente. Se configuro para que la velocidad de envío de por
segundo fuera de 9600 bps, ya que los módulos fueron comprados con
esa velocidad y no hay forma de modificar ese aspecto.
En la parte principal del programa, se declara en el registro SCID el
dato que se desea enviar inalámbricamente por la interface SCI, en este
código se enviaran cuatro diferentes datos los cuales estarán en cuatro
diferentes casos y cada uno será accedido mediante un botón exterior al
Voltaje Hélices de dirección 0V Sin movimiento 2V Máxima velocidad
37
microcontrolador, es decir habrá también cuatro botones y al presionar
alguno de estos, automáticamente entrara a la condición mandando el
dato que este adentro.
Figura 7.3 Diagrama de bloques del transmisor (Tomado de la hoja de datos del MC9S08QG8)
Al programar el microcontrolador para que rigiera al modulo
receptor, se basó en el diagrama de bloques que se encuentra en la hoja
de datos del MC9S08QG8 como se muestra en la figura 7.4, en el
programa primeramente se inicializó como receptor activo poniendo el
registro SCIC2_RE en alto, después el registro SCIC2_RWU se puso en
bajo, del mismo modo se colocó SCIS2_RAF=1 y además
SCIS1_RDRF=0, esto para que la bandera del receptor siempre este
38
limpiándose y pueda recibir constantemente los datos del transmisor para
así tener un mejor control del helicóptero, igualmente se puso el registro
SCIC2_SBK=0 esto para desactivar las interrupciones en la recepción;
para configurar el envío de datos se declaró SCIBD=26, donde el 26 es el
divisor del Baud Rate el cual fue calculado con formula que se encuentra
la hoja de datos: velocidad de datos(BD)= 4MHz/(16*26)=9615 bps,
asimismo el modo selector SCIC1_M=0 se determinó a 8 bits, ya que así
se entablaba un mejor transmisión.
En la parte principal del código se declaró el registro donde se
reciben los datos enviados del transmisor el cual es SCID, donde estos
dependiendo del carácter, entran en su respectivo caso y de ahí se emite
la señal de PWM donde sale por un puerto y por medio de un arreglo con
un transistor de enriquecimiento, un diodo rectificador y un capacitor de
1μF, se convierte a voltaje y este llega a los motores, por ejemplo, si se
desea hacer que el helicóptero valla hacia arriba, en el control del usuario
envía un carácter especifico el cual se recibe en este programa, al
comparase en los diferentes casos, entrara al que le corresponde y
mandara un ancho de pulso mediante un puerto de salida del
microcontrolador, de ahí entrara un circuito de acondicionamiento donde
este los convertirá a un determinado voltaje y llegara a los motores para
que hagan ascender al aparato.
39
Figura 7.4 Diagrama de bloques del receptor (Tomado de la hoja de datos del MC9S08QG8)
Después de lograr la comunicación exitosa entre los
microcontroladores por medio de alambres, se tuvo que pasar al siguiente
paso, el cual era el de la transmisión de datos por medio de los módulos
inalámbricos, la primera prueba se uso como transmisor una computadora
personal se configuro una comunicación en el hiperterminal y por medio
de un cable serial se le conecto en el otro extremo el modulo con los
cables cruzados, es decir, el pin del transmisor del DB-9 con el pin
receptor del módulo, y el del receptor con el transmisor además de un
40
común para la tierra, también se tuvo que alimentar con 5 voltios los
módulos por medio de una fuentes, ya que sin ese voltaje no trabajan.
Del lado receptor, el módulo se conecto cruzado de la misma forma
que en el transmisor, se le agregaron un led a cada salida del puerto A,
cuatro en total, esto para que al momento de recibir algunos datos
establecidos en el código del microcontrolador, fueran prendiendo uno a
la vez, como se muestra en la figura 7.5.
Figura 7.5 Comunicación inalámbrica entre la PC y MC9S08QG8
Ya que se realizo la prueba anterior, se empezó a comunicar del
modo inalámbrico entre DEMO9S08QG8´s, el transmisor por medio del
puerto RS-232, con la ayuda del MAX3218, enviaba un dato cualquiera y
se recibía en la tarjeta exitosamente, como se muestra en la figura 7.6.
41
Figura 7.6 Comunicación entre MC9S08QG8
La prueba sucesora a esta consto en agregarle cuatro botones al
transmisor, como se observa en la figura 7.7, para que al presionarlos,
enviara el dato que está predeterminado en cada caso, y que al llegar al
receptor se pudiera observar en el simulador, lográndose hacer de
manera correcta.
Figura 7.7 Comunicación entre MC9S08QG8 con botones
42
Capítulo 8
Conclusiones
A principios del semestre, se tenían unas expectativas muy amplias para
el desarrollo de este trabajo, conforme fue pasando el tiempo
descubrimos que en la ingeniería los caminos pueden ser muy diferentes
a los que se plantean al iniciar un proyecto, y aunque no logramos
alcanzar las metas que nos propusimos nacieron nuevas ideas que nos
acercaron lo más posible. En el desarrollo de este, fueron surgiendo
nuevas experiencias que nos hicieron crecer como futuros ingenieros y
como personas, ya que pusimos a prueba todos nuestros conocimientos y
habilidades adquiridos a lo largo de la carrera.
El primer desafío que se enfrentó fue el establecer la
comunicación inalámbrica entre dos microcontroladores, y esto fue el
punto de mas conflicto, ya que al principio se adquirieron unos módulos
que después de bastantes pruebas llegamos a la conclusión de que no
eran factibles en este proyecto, después se consiguieron otros circuitos
diferentes y con estos se logro entablar la comunicación inalámbrica de
manera más sencilla.
Otro de los objetivos alcanzados fue el control de los motores del
helicóptero mediante la modulación de ancho de pulso PWM, esto se
logro mediante la creación de un código para el microcontrolador
MC9S08QG8, y por medio de las funciones internas de este se generaron
los diferentes anchos de pulso que se requerían para hacer los cambios
de voltajes que alimentan a los 3 motores en el helicóptero.
43
Además para amplificar la señal generada por PWM, se diseño un
circuito que mediante un arreglo que contiene un MOSFET, un diodo
rectificador y un capacitor, entregan el voltaje necesario para el control del
helicóptero.
Como trabajos a futuro se pretende implementar el acelerómetro
MMA7660, ya que por falta de equipo y de tiempo no se logró concretar la
aplicación en el helicóptero. Este dispositivo nos iba a ayudar a tener una
mayor estabilidad de vuelo en el aparato y así poder controlarlo de la
manera que se desee.
Otro mejoramiento en este proyecto sería el de manipular mas
helicópteros al mismo tiempo para así crear figuras sincronizadas en el
aire y con esto poder lograr un mayor entretenimiento hacia las personas
44
Referencias [1] Alan Bensky, Short-range Wireless Communications. Fundamentals of RF System Design and Application, editorial Newnes, USA, 2004, Pag. 212.
[2]Andy Bateman, Comunicaciones digitales. Diseño para el mundo real, editorial Marcombo, España, 2003, pág. 312.
[3]http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_frec_radio/ke_frec_radio_2.htm, 20 de octubre
[4] WiFi™, Bluetooth™, Zigbee™ and WiMax™, Houda Labiod, Hossam Afifi, Constantino De Santis, Springer, 2007, Holanda, 311
[5] http://www.nordicsemi.com/ 15 de septiembre.
[6]http://www.mdfly.com/index.php?main_page=product_info&products_id=168
[7] Fernando E. Valdez Pérez, Ramón Pallas Areny, Microcontroladores: Fundamentos y aplicaciones con PIC, editorial Marcombo, México, 2007 pag.244.
[8] Fabio Pereira, HCS08 Unleashed – Designer´s Guide to the HCS08 Microcontrollers, editorial, USA, 2008, Pag 411.
[9]http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC9S08QG8.pdf , 10 de septiembre
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[10] Mantenimiento electrónico e instrumental industrial, Ing. Hernando Gómez Palencia PWM.
[11]http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/user_guide/DEMO9S08QG8UG.pdf, 1 de noviembre del 2010.
[12] http://www.wayerless.com/2009/06/el-boom-de-los-acelerometros-w-guia/ 9 de noviembre 2010.
[13] Manuel José López Fernández. INTRODUCCION A LOS SISTEMAS MICROELECTROMECANICOS MEMS. http://www.aeih.org/ih/Congresos/Congreso-23/Documentacion/Documentos/B3-4-D.pdf 14 de noviembre del 2010
[14] http://www.cha138.net/a/tecnologia/2010/08/Que-es-un-acelerometro.html, 15 de noviembre del 2010.
[15]http://atc.ugr.es/~afdiaz/fich/bus_i2c.pdf, 15 de noviembre del 2010.
[16] http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX3218.pdf 13 de noviembre 2010.
[17] http://ccpot.galeon.com/enlaces1737099.html, 1 noviembre del 2010.
[18] Tomasi, Wayne. Sistema de comunicaciones electrónicas, cuarta edición, Prentice Hall, México 2003, pags 976.