CD-1956.pdf

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y
ELECTRÓNICA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA BASADO EN UN
MICROCONTROLADOR PARA CONTROLAR POR VOZ Y
JOYSTICK EL DESPLAZAMIENTO DE UNA SILLA DE RUEDAS
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN
ELECTRÓNICA Y CONTROL
CHANGO ALVAREZ HENRY PATRICIO
[email protected]
TOCTAGUANO TIPAN ROBERTO CARLOS
[email protected]
DIRECTOR: Dr. LUIS CORRALES P.
[email protected]
Quito, Enero del 2009
DECLARACIÓN
Nosotros, Henry Patricio Chango Alvarez y Roberto Carlos Toctaguano Tipan,
declaramos que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido
previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que
hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este
documento.
A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad
intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional,
según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por
la normatividad institucional vigente.
________________________
Chango Alvarez Henry Patricio
____________________________
Toctaguano Tipan Roberto Carlos
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Henry Patricio Chango
Alvarez y Roberto Carlos Toctaguano Tipan bajo mi supervisión.
________________________
Dr. Luis Corrales P.
DIRECTOR DEL PROYECTO
AGRADECIMIENTO
A Dios por darme la vida.
A mis grandes amigos con los cuales compartí buenos y malos momentos:
Andrés, Cristian, Roberto, Byron, Mary, Marco, Edwin, Mónica, Walter.
Al Dr. Luis Corrales por guiarnos en la realización de esta tesis.
A Carmen, Anita quienes siempre estuvieron pendientes por la culminación de
este trabajo.
Henry Patricio.
AGRADECIMIENTO
A Dios por ser su hijo y darme la oportunidad de cumplir mis metas y rodearme de
personas muy especiales que han marcado mi vida.
A mi Virgencita del Quinche por ayudarme a cumplir la promesa ante ella,
A mí querida Poli por brindarme la oportunidad de superarme en sus aulas.
Al Dr. Luís Corrales, por darnos la oportunidad de realizar esta tesis bajo su tutela
y guía.
A mis Hermanos Viviana y Paúl por el gran apoyo brindado siempre.
A mi novia Verónica Paulina que con su gran amor a llenado mi vida de felicidad.
A mis tíos y primos con quienes comparto momentos inolvidables.
A mis grandes amigos los “GALACTICOS RELOAD" Andrés, Marco, Cristian,
Henry, Diego, Byrón, María, Edisón, Mónica, con quienes compartí grandes
momentos en la Poli.
A mis grandes amigos de toda la vida: Lucy, Jaime, Santiago, Blanca, Alexandra,
Paulina, Paola que de una u otra forma me demostraron su gran amistad.
A una persona muy especial que me brindo su apoyo incondicional en uno de los
peores momentos de mi vida y siempre llevo presente sus consejos y no se que
será de su vida.
Roberto Carlos.
DEDICATORIA
A mis padres Eva Teresa y Nelson Efraín quienes siempre me brindaron apoyo y
comprensión en todo momento y me enseñaron a seguir el camino del bien.
A mi Tío Luís Heriberto con quien aprendí cosas valiosas e inolvidables.
A mi prima Rita Elizabeth quien me supo dar sus buenos consejos en los peores
momentos de mi vida.
A mi gran amigo Santiago (┼) con quien compartimos grandes momentos.
Henry Patricio.
DEDICATORIA
A mis padres María Transito y José Roberto que con su amor, cariño y sacrificio
me enseñaron el verdadero significado de la vida.
A mis queridos abuelitos José Lino (┼), Rosario, Maria Elisa (┼) que me cuidaron
en mi niñez y juventud.
A mi prima Verónica de los Ángeles (┼) con quien compartí muchos momentos
felices.
Roberto Carlos.
CONTENIDO
Pág.
Resumen………………………………………………………………………………..……i
Presentación……………………………………………….……………………………….iii
CAPÍTULO 1: ESTUDIO DE LA DISCAPACIDAD
EN EL ECUADOR
1.1 Discapacidad física...........................................................................................................1
1.1.1 Cuadraplejia.......................................................................................................1
1.1.2 Paraplejia...........................................................................................................2
1.1.3 Triplejia.............................................................................................................2
1.2 Discapacidad en el Ecuador.............................................................................................2
1.2.1 Investigación nacional 1996..............................................................................2
1.2.2 Investigación nacional 2004..............................................................................3
1.3 Reconocimiento de voz....................................................................................................8
1.3.1 Clasificación de los reconocedores de voz........................................................8
1.4 Rampa de arranque y frenado Tipo “S”...........................................................................9
1.5 Análisis del sistema anterior...........................................................................................10
1.6 Propuesta de diseño....................................................................................................... 10
CAPÍTULO 2: DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL
HARDWARE DE CONTROL
2.1 Análisis de la silla de ruedas......................................................................................... 12
2.1.1 Determinación de la fuerza máxima requerida en una superficie
plana …………………………………………………………………................... 13
2.1.2 Determinación de la fuerza máxima requerida en una superficie
ascendente. .............................................................................................................. 14
2.1.3 Determinación de la fuerza máxima requerida en una superficie
descendente……………………………………………………………………...... 16
2.1.4 Determinación de la potencia de los motores. ............................................... 17
2.2 Diseño del sistema eléctrico.......................................................................................... 18
2.3 Selección de la batería................................................................................................... 22
2.4 Selección del microcontrolador PIC.............................................................................. 23
2.4.1 Diseño del Circuito de reset y oscilador del microcontrolador PIC………... 25
2.4.2 Diseño del Circuito detector del estado de la silla de ruedas……...…...…... 27
2.4.3 Diseño del Circuito teclado y LCD................................................................ 29
2.4.4 Diseño del Circuito selector del modo de operación de la silla de ruedas......29
2.4.5 Circuito de control de los motores de DC...................................................... 31
2.4.6 Circuito de control de relés para el sentido de giro de los motores................ 37
2.4.7 Circuito detector de batería baja y batería cargada………………………......41
2.5 Programación e implementación del subsistema de reconocimiento de voz................ 48
2.5.1 Hardware del sistema de reconocimiento de voz. ......................................... 48
2.5.2 Programación del circuito integrado HM2007. ............................................. 50
2.5.3 Implementación del sistema de reconocimiento de voz HM2007 con el
microcontrolador PIC16F628A............................................................................... 51
2.6 Diseño de las fuentes de poder...................................................................................... 53
2.6.1 Diseño de las fuentes reguladas de 7,5 Voltios...............................................53
2.6.2 Diseño de las fuentes reguladas de 5 Voltios................................................. 57
CAPÍTULO 3: DISEÑO DEL SOFTWARE DE CONTROL
3.1 Controlador integrado programable PIC....................................................................... 59
3.2 Rampa Tipo “S”............................................................................................................ 61
3.3 Activación de los motores............................................................................................. 64
3.4 Codificación de las palabras.......................................................................................... 65
3.5 Programación general.................................................................................................... 66
3.5.1 Lógica de funcionamiento del microcontrolador PIC 16F877A.................... 66
3.5.1.1 Configuración de registros y pines de control................................. 84
3.5.2 Lógica de funcionamiento del microcontrolador PIC 16F628A.................... 90
3.5.2.1 Configuración de registros y pines de control................................. 92
CAPÍTULO 4: PRUEBAS Y RESULTADOS
4.1 Pruebas de la rampa Tipo “S”....................................................................................... 95
4.2 Pruebas de reconocimiento de voz...............................................................................102
4.3 Pruebas en los motores................................................................................................ 103
4.4 Resultados obtenidos................................................................................................... 104
CAPÍTULO 5: ESTUDIO DE COSTOS
5.1 Costos......................................................................................................................... 106
CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1 Conclusiones............................................................................................................... 114
6.2 Recomendaciones....................................................................................................... 115
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANEXOS
RESUMEN
El presente trabajo tiene como objetivo el diseño y desarrollo de un prototipo
basado en un microcontrolador PIC, que permita controlar el desplazamiento y
giro de una silla de ruedas por medio de la voz del usuario y de un joystick.
Para el arranque y frenado de los motores se utilizan rampas de aceleración y
desaceleración de tipo “S” variables en el tiempo de 1 a 9 seg. Además se tiene
velocidad de crucero variable de 0 a 1 m/seg.
Para el control por voz se hace uso del circuito integrado HM2007 que es capaz
de
reconocer hasta 40 palabras de 0.96 segundos ó 20 palabras de 1.92
segundos de longitud y envía dos números en código BCD de cada palabra que
son interpretados por el microcontrolador PIC 16F628A. Las palabras utilizadas
son grabadas en el circuito HM2007.
Para el control manual se utilizó un joystick con pulsadores para
dar los
movimientos: adelante, atrás, izquierda y derecha.
Para que el sistema tenga la capacidad de realizar arranques y frenados suaves
se realizó una función cosenoidal a través
de un algoritmo de control en la
programación del microcontrolador PIC 16F877A.
Para que el sistema pueda variar la velocidad de crucero se varía la amplitud de
la función cosenoidal implementada en el algoritmo de control.
Se grabó en el circuito integrado HM2007 en modo de 20 palabras para que la
duración de la palabra hablada sea más larga y pueda ser reconocida de manera
exacta.
Se determinó que con el tiempo de 1s
en el algoritmo de las rampas de
aceleración y desaceleración el funcionamiento de la silla es el más adecuado,
debido a que si la silla se encuentra en espacios reducidos y con tiempos
mayores en la generación de las rampas puede ocurrir algún tipo de choque. Al
realizar la rampa en forma de coseno tipo “S”
se consigue un incremento y
decremento suave de velocidad que no se obtiene en otros tipos de arranques.
El peso de los usuarios influye en la velocidad de crucero, ya que con esto la
silla de ruedas puede aumentar o disminuir la velocidad.
PRESENTACIÓN
El proyecto de Titulación
“DISEÑO
Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA
BASADO EN UN MICROCONTROLADOR PARA CONTROLAR POR VOZ Y
JOYSTICK EL DESPLAZAMIENTO DE UNA SILLA DE RUEDAS” fue realizado
para realzar el estudio e investigación de la ESCUELA POLITECNICA NACIONAL
en temas médicos a beneficio de la sociedad Ecuatoriana, a la par con otros
países que realizan este tipo de proyectos.
En el Capítulo I se describen algunas de las discapacidades físicas como
cuadraplejia, paraplejia y triplejia. Se hace un análisis de las discapacidades en el
Ecuador, además se tiene una introducción al reconocimiento de voz, sus
aplicaciones y clasificación. También se da a conocer sobre la rampa tipo “S”,
análisis del sistema encontrado y por último la propuesta de diseño.
En el Capítulo II se dan a conocer los aspectos que se deben tomar en cuenta
para el dimensionamiento de los elementos que integran la parte de control como
son las fuentes de alimentación y la parte de potencia así como también la
implementación y programación del sistema de reconocimiento de voz.
En el Capítulo III se describe el programa de control del microcontrolador master
PIC 16F877A y el microcontrolador esclavo PIC 16F628A
en lenguaje
estructurado.
En el Capítulo IV se indican los ajustes realizados en cada una de las partes que
conforman la silla de ruedas como motores, llantas, acople entre la banda el
motor y la llanta, así como también ajustes en el software de control como
velocidad de crucero, tiempos de las rampas de aceleración y desaceleración y
acoplamiento del sistema de reconocimiento de voz.
En el Capítulo V se dan a conocer los costos que representa la silla de ruedas, los
elementos que integran el sistema de control y potencia, elementos que forman
parte del sistema de reconocimiento de voz y el costo que implica los
conocimientos de ingeniería.
En el Capítulo VI se tienen conclusiones y recomendaciones relacionadas con lo
anteriormente descrito.
CAPÍTULO 1
ESTUDIO DE LA DISCAPACIDAD EN EL ECUADOR
El presente trabajo pretende controlar el desplazamiento de una silla de ruedas mediante
joystick y la voz del usuario, además de su velocidad de crucero y rampa de aceleración y
desaceleración. El objetivo es proporcionar un mejor estilo de vida a las personas que
sufren de discapacidad física. Para conocer un poco de esta discapacidad y así establecer
los requerimientos de la potencial población destino, a continuación se hace un estudio
sobre discapacidades físicas.
1.1
DISCAPACIDAD FÍSICA
Se puede definir como una imposibilidad que limita o impide el desempeño motor de la
persona afectada, esto significa que las partes afectadas generalmente son los brazos y/o
piernas. Su discapacidad se manifiesta en que pueden requerir de la ayuda de otras
personas para realizar las actividades de la vida diaria o que tienen dificultades para
trabajar o estudiar debido a su deficiencia.
Existen muchos tipos de discapacidades físicas, pero se va a dar una breve explicación de
aquellas relacionadas con este trabajo.
1.1.1
CUADRAPLEJIA
La Cuadraplejia o cuadriplejia es una lesión medular que se refiere a la parálisis que afecta
las cuatro extremidades. Es una lesión en la porción superior de la médula espinal, si bien
da como resultado la parálisis completa de las extremidades inferiores, puede afectar en
forma parcial o completa las superiores, dependiendo del nivel neurológico afectado.
1
1.1.2
PARAPLEJIA
La afectación de la región lumbar de la médula espinal da por resultado la paraplejia. La
función en las extremidades superiores es normal, el suministro neurológico del tórax y
parte alta del abdomen está íntegro, mientras que las inferiores tienen parálisis parcial o
total. Supone la pérdida de movilidad y sensibilidad de cintura para abajo (pierna derecha e
izquierda).
1.1.3
TRIPLEJIA
Es la ausencia de movimiento y de sensibilidad en un brazo y ambas piernas y
generalmente se produce como resultado de una lesión incompleta de la médula.
1.2
DISCAPACIDAD EN EL ECUADOR
Del total de la población existente en el Ecuador, el 13,2 % son personas con algún tipo de
discapacidad. Se conoce que en el país existen aproximadamente [5]:
•
592.000 personas con discapacidad por deficiencias físicas
•
432.000 personas con discapacidad por deficiencias mentales y psicológicas
•
363.000 personas con discapacidad por deficiencias visuales; y,
•
213.000 personas con discapacidad por deficiencias auditivas y del lenguaje.
1.2.1
INVESTIGACIÓN NACIONAL 1996 [5]
Los resultados de la investigación que terminó en 1996, auspiciada por el CONADIS, el
INNFA del Ecuador y el Instituto de Migración y Servicios Sociales, IMSERSO de
España, muestra la situación de las discapacidades en nuestro país, en sus aspectos más
2
importantes como: el aspecto legal, el de atención a las personas con discapacidad y el
epidemiológico en su dimensión y distribución geográfica.
En el país el 48.9% de la población tiene alguna deficiencia es decir, un trastorno ó
alteración orgánica, funcional o psicológica que puede provocar una discapacidad.
El 13.2% de la población tiene algún tipo de discapacidad, es decir una limitación de
carácter permanente para realizar una actividad como la realizan las otras personas.
El 4.4% tiene alguna minusvalía, es decir, una seria desventaja a consecuencia de una
discapacidad para cumplir un rol social.
1.2.2
INVESTIGACIÓN NACIONAL 2004 [5]
De esta investigación realizada se ha obtenido los siguientes resultados:
•
En Ecuador existen 1.608.334 personas con alguna discapacidad, que representan el
12.14% de la población total.
•
El 6% de los hogares ecuatorianos tienen al menos un miembro con discapacidad.
El 8% de los hogares rurales tienen alguna persona con discapacidad frente al 5%
de hogares urbanos.
•
El 8% de las familias de la Sierra tienen al menos un miembro con discapacidad.
Este porcentaje es superior a los porcentajes encontrados en la Región Costa (4%) y
Amazónica (6%). Las provincias más afectadas por la discapacidad son las de:
Loja, Cañar, Bolívar y Cotopaxi, cuyos porcentajes de hogares con al menos una
persona con discapacidad sobrepasan al porcentaje nacional en más de 4 puntos.
•
Cerca de 830 000 mujeres en Ecuador tienen discapacidad (51,6%), mientras que el
número de hombres con discapacidad es 778594 (48,4%). Esta distribución no es
igual a la distribución de la población nacional por sexo que es: mujeres 50.3% y
hombres 49.7%, demostrando que existe mayor discapacidad en las mujeres. Sin
embargo, no en todas las edades es mayor el número de mujeres con discapacidad:
3
a)
De la población infantil ecuatoriana menor de 5 años, los niños y niñas con
discapacidad infantil representan el 1.4%. De ellos el 76% tiene alguna deficiencia
y el 24% presenta alguna limitación en la actividad.
b)
Entre los menores de cinco años con limitaciones, el 56.7% son niños y el 43.3%
son niñas.
c)
En el grupo de edad de 5-40 años con discapacidad, el 53% son hombres y el 47%
son mujeres.
d)
En la población con discapacidades de 41 años y más de edad, el 54% son mujeres
y el 46% son hombres.
•
La presencia de discapacidad está directamente relacionada con la edad. De la
población con discapacidad, el 33% tiene más de 65 años, mientras que en los
grupos menores de 40 años, estos porcentajes máximo llegan al 19%. Aunque los
porcentajes de discapacidad se incrementan continuamente conforme avanza la
edad, a partir de los 41 años este incremento se acelera de forma notable.
•
El porcentaje de discapacidad no es homogéneo en el territorio ecuatoriano, hay
diferencias importantes entre las provincias. Las provincias de Guayas, Pichincha,
Manabí y Azuay presentan porcentajes significativamente superiores al promedio
nacional, mientras que Napo, Pastaza, Sucumbíos y Orellana presentan porcentajes
sensiblemente inferiores a la media nacional. En la Región Amazónica el
porcentaje es similar al promedio nacional y diez veces inferior a los porcentajes de
la Región Costa y Sierra.
•
En los niños se identificaron las limitaciones en la actividad y restricción en la
participación. El número de niños con estas limitaciones asciende a 17838. Entre
las limitaciones más frecuentes de los menores de 5 años se señala a la limitación
para ponerse de pie, para caminar solo y de la comunicación, causadas en mayor
porcentaje por deficiencias funcionales (72.5%). El 44% de la población infantil
menor de 5 años con limitaciones presenta más de una limitación en la actividad.
5048 niños/as no pueden ponerse de pie y caminar solos, 5856 niños/as tienen
dificultades en comunicarse, 3867 niños/as tienen limitaciones para ver, 3763
niños/as tienen limitaciones permanentes para escuchar, 2216 niños/as tienen
limitación permanente para vestirse, asearse o comer solos, 2.330 niños/as tienen
limitaciones para relacionarse con los demás.
4
•
El 72.5% de las deficiencias en la población infantil menor de 5 años son
funcionales. Las más frecuentes son las relacionadas con el funcionamiento de los
órganos internos.
•
De los menores de 5 años con limitaciones, el 80% reportó como causa originaria
alguna condición negativa de salud: enfermedades hereditarias y adquiridas,
problemas al momento del parto, infecciones y mala práctica médica. La condición
negativa de salud es reportada a nivel rural como el 91% de las causas de las
limitaciones, en comparación con el 73% en el sector urbano.
•
En el país se encontró que el 4.8% de la población mayor de cinco años tiene
limitación grave en la actividad y restricción en la participación, lo que corresponde
a 640183 personas. Es decir, son personas con discapacidad que tienen un bajo o
ningún nivel de autonomía, que a pesar de utilizar ayudas técnicas o personales,
presenta un nivel de funcionamiento muy restringido.
•
El 38% de la población discapacitada con limitación grave, necesita del cuidado
permanente de otra persona. El 52% de los cuidadores permanentes son los padres,
generalmente las madres.
•
El 79% de las personas con limitación grave, tienen limitaciones para realizar
actividades y restricción en la participación: para movilizarse, actividades
educativas y de aprendizaje, integrarse a la vida comunitaria, suficiencia en su auto
cuidado, integrarse a las actividades de la vida doméstica y trabajar en forma
remunerada.
•
Como ya se mencionó los porcentajes de personas con más de una limitación grave
van en aumento conforme avanza la edad, con un pico marcado a partir de los 65
años. Mientras la población de 5-10 años tiene un 3% de limitaciones múltiples, el
46% de los mayores de 65 años presentan la misma condición. El número de
mujeres de más de 65 años y más con limitaciones múltiples graves supera al de los
hombres en un 7%.
•
De la población que presenta una sola limitación, la más frecuente es la relacionada
con la recreación social que afecta al 9% de le las personas con limitación grave de
5 años y más (60240 personas). Seguida por la limitación para aprender y estudiar
(4%), y trabajar remuneradamente (3.4%).
5
•
366 mil personas registran tener dificultad moderada para caminar, correr, subir
gradas. 101700 presentan dificultad para coger cosas. La dificultad para ver aún
utilizando anteojos afecta a 176900 personas.
•
En la población de 5 años y más 452336 personas presentan deficiencias
estructurales, que representa el 64% de todas las deficiencias.
•
Entre la población con discapacidad, el 64% presenta deficiencias estructurales, el
29% deficiencias funcionales y el 7% deficiencias mixtas.
•
Las enfermedades heredadas y adquiridas, los problemas al momento del parto, las
infecciones y la mala práctica médica son las principales causas de discapacidad en
la población de 5 años y más (65%).
Los accidentes como causa de discapacidad afectan más a la población masculina de 20-64
años (19%) y las condiciones negativas de salud afectan más a las mujeres en las mismas
edades (53%).
Pastaza 38%, Cañar 34%, Los Ríos 24% y Carchi 22% son las provincias en donde viven
las personas con discapacidad originados por los accidentes como la primera causa de
discapacidad.
Morona Santiago 82%, Cotopaxi 78%, Bolívar 76%, y Orellana 76%, de las personas con
discapacidad que viven allí tienen a las condiciones negativas de salud como la primera
causa de discapacidad.
Sucumbíos (17%) e Imbabura (7%) reportan los mayores porcentajes de personas con
discapacidad con antecedentes de condiciones adversas como desastres naturales y pobreza
como la causa de discapacidad.
Sucumbíos, Esmeraldas y Chimborazo reportan los más altos porcentajes de personas con
discapacidad por violencia como causa de discapacidad.
Imbabura y Napo son las provincias en donde las intoxicaciones tienen los más altos
porcentajes como causa de discapacidad.
6
A
continuación
se
detalla
la
información
de
las
personas
carnetizadas
y
registradas en el CONADIS (Tabla 1.1) ente encargado de dar el reconocimiento legal de
persona
discapacitada. Esta información fue tomada desde el año 1996.
PROVINCIA
AUDITIVA
FÍSICA
INTELECTUAL
LENGUAJE
PSICOLÓGICO
VISUAL
TOTAL
AZUAY
400
2121
1803
47
55
374
4800
BOLÍVAR
132
455
291
11
5
101
995
CAÑAR
114
525
318
4
28
87
1076
CARCHI
67
288
153
8
22
64
602
CHIMBORAZO
302
919
822
5
9
216
2273
COTOPAXI
153
718
449
37
13
164
1534
EL ORO
582
2669
2063
32
119
525
5990
ESMERALDAS
377
1683
1222
28
38
439
3787
9
30
34
0
0
8
81
GUAYAS
2446
7680
6518
248
326
1468
18686
IMBABURA
445
1129
695
33
75
212
2589
LOJA
608
1819
1862
38
135
483
4945
LOS RÌOS
238
1049
786
29
21
110
2233
MANABÌ
1114
5517
2325
70
868
868
10762
91
648
273
14
27
148
1201
NAPO
86
323
220
8
4
96
737
ORELLANA
64
246
141
15
10
44
520
PASTAZA
73
274
260
9
27
70
713
PICHINCHA
2230
8273
5030
61
253
1593
17440
SUCUMBÍOS
101
553
269
14
48
106
1091
TUNGURAHUA
322
1006
634
23
25
209
2219
Z.CHINCHIPE
61
170
180
7
8
53
479
10015
38095
26348
741
2116
7438
84753
GALÁPAGOS
MORONA
SANTIAGO
TOTAL
Tabla 1.1 Discapacidades en el Ecuador, tomado de [5]
7
1.3
RECONOCIMIENTO DE VOZ
Es el proceso automático de conversión de palabras habladas a palabras escritas para que el
dispositivo receptor tenga la capacidad de entender el lenguaje hablado y luego pueda
realizar funciones especificas. Entre los campos de aplicación del reconocimiento de voz
se tiene: sistemas de seguridad, telefonía, sistemas de control, sistemas de entrada de datos
y acceso a bases de datos, etc. Generalmente se deben cumplir tres tareas:
•
Pre-procesamiento: convertir la señal análoga a digital, es decir convertir la voz a
una manera en que el reconocedor pueda procesar.
•
Reconocimiento: interpretar lo que se dijo, se hace una traducción de señal a texto.
•
Comunicación: enviar lo reconocido para efectuar las acciones correspondientes en
el sistema.
Los procesos de pre-procesamiento, reconocimiento y comunicación no son visibles al
usuario. Se utilizan características tales como la velocidad y certeza en el reconocimiento
para evaluar que tan bueno es el sistema de reconocimiento de voz.
1.3.1
CLASIFICACIÓN DE LOS RECONOCEDORES DE VOZ [10]
Los reconocedores de voz se clasifican de acuerdo a la función que van a cumplir y de
acuerdo al tipo de habla.
1.3.1.1 De acuerdo a su propósito
Los reconocedores de voz de acuerdo a su propósito pueden ser de propósito general
cuando las palabras a ser reconocidas son de cualquier dominio, y de propósito específico
cuando se reconocen palabras de un dominio en particular.
8
1.3.1.2 De acuerdo al tipo de habla
En esta clasificación se toma en cuenta la manera de hablar: en forma aislada, cuando el
hablante realiza pausas entre palabras para hacer más fácil el trabajo del reconocedor; y
forma continua, cuando no existe pausas entre palabras. Esto hace que el reconocimiento
sea más difícil y la información no sea confiable.
1.4
RAMPAS DE ARRANQUE Y FRENADO TIPO “S”
Se refiere a las rampas que dan al motor mayor suavidad en los instantes de arranque,
frenado y de aproximación a la velocidad ajustada, lo que posibilita evitar los choques
mecánicos al inicio y al final de las rampas que son indeseables y reducen la vida útil de
las máquinas. En la Figura 1.1 se muestra los tipos de rampas.
Figura 1.1 Rampas.
La rampa tipo “S” se puede obtener de la función coseno tomando la mitad del periodo, de
acuerdo al software utilizado (PIC BASIC) la operación matemática COS da el coseno en 8
bits de un valor determinado. El resultado está dado en forma de dos complementos de 127 a 127 y usa una tabla de cuarto de onda para encontrar el resultado. El coseno
comienza con un valor en radianes binarios de 0 a 255, en lugar de los usuales 0 a 359
grados. Para convertir los grados a radianes binarios se multiplica por 128 y se divide por
180. Para convertir los radianes binarios a grados se multiplica por 180 y luego se divide
por 128.
9
Por ejemplo para 90 grados se tiene su equivalente 64 en radianes binaros:
90 o *128
= 64
180
cos( 64) = 127
1.5
ANÁLISIS DEL SISTEMA ANTERIOR
El sistema fue realizado en el año 1995 por medio de una tesis “CONTROL
ELECTRONICO DE SILLAS DE RUEDAS PARA PERSONAS PARAPLEJICAS Y
CUADRAPLEJICAS”, la cual fue encontrada con los siguientes elementos:
•
Silla de Ruedas
•
Dos motores Dc 12V, 10Amp
•
4 Relés.
Todo el sistema de Control y Potencia no existía, no se encontró ninguna tarjeta electrónica
de la tesis mencionada, de ahí la necesidad de realizar este proyecto.
1.6
PROPUESTA DE DISEÑO
La propuesta consiste en diseñar y construir un sistema basado en un microcontrolador,
que permita controlar el desplazamiento y giro de una silla de ruedas por medio de la voz
del usuario y de un joystick.
Sobre la base de la silla dotada de dos motores se diseñará el sistema para que realice los
siguientes controles:
•
Mediante un teclado se fijará la pendiente de aceleración y desaceleración de la
silla, así como la velocidad de crucero.
10
• El microcontrolador debe proveer una función de transferencia tipo “S” para
eliminar los arranques y paradas bruscos y así evitar posibles accidentes al
usuario de la silla.
A continuación se muestra el diagrama de bloques de la propuesta en la Figura 1.2
VOZ
ENTRENAMIENTO
MOTORES
JOYSTICK
CONTROLADOR
DE LA
SILLA
SELECCIÓN
DE PARÁMETROS
DE FUNCIONAMIENTO
Figura 1.2 Diagrama de bloques.
11
CAPÍTULO 2
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN
DEL HARDWARE DE
CONTROL
En este capítulo se describe como se realizó el diseño del hardware del sistema.
Se consideran dos tipos de controles para facilitar el uso del operador de la silla de ruedas
como son: el control por Joystick y el control por voz del usuario.
Todos los diseños fueron realizados tomando en cuenta la forma más simple y sencilla
para ejecutarlos.
2.1 ANÁLISIS DE LA SILLA DE RUEDAS
Para el análisis se considera el peso de todos los componentes que integran el sistema
(Figura 2.1): silla de ruedas, sistema de control y potencia, usuario, batería.
La masa máxima especificada para el usuario según la marca Everest & Jennings es de 110
kg. La masa está dada por los materiales con los cuales se encuentra construida la silla.
1.6.1
Figura 2.1 Silla de Ruedas
El peso total que los motores deben movilizar es:
PTM = PEM + PMU + PF + PSC
12
PEM = Peso de la estructura mecánica de la silla = 333,54 [N]
PMU = Peso máximo del usuario
= 1079,1
[N]
PF =
Peso de la fuente (Batería)
=
147,15 [N]
PSC =
Peso sistema de control
=
9,81 [N]
PTM =
Peso total a movilizar
=
1569,6 [N]
Con este valor obtenido se calcula la fuerza máxima que deben entregar los motores para la
movilización de la silla de ruedas.
2.1.1
DETERMINACIÓN DE LA FUERZA MÁXIMA REQUERIDA EN UNA
SUPERFICIE PLANA
Para la determinación de la fuerza máxima se recurrió a las leyes de Newton mediante el
diagrama de cuerpo libre (Figura 2.2).
Figura 2.2 Superficie Plana
Para materiales de hule sobre concreto se toma un coeficiente de fricción cinético
aproximadamente de 0,57.
13
∑F
=0
X
F − Fr = 0
F = Fr
F = µ c * N → (ec.1)
∑F
Y
=0
N −W = 0
N =W
N = m * g → (ec.2)
(ec.2) → (ec.1)
F = µc * m * g
F = 0.57 * 1569,6[ N ]
F = 894,67[ N ]
Esta es la fuerza máxima para que la silla gire en cualquier dirección.
2.1.2
DETERMINACIÓN DE LA FUERZA MÁXIMA REQUERIDA EN UNA
SUPERFICIE ASCENDENTE.
Según el Instituto Ecuatoriano de Normalización norma NTE INEN 2 245 del año 2000
(Accesibilidad de las personas al medio Físico. Edificios, Rampas Fijas), la cual establece
las dimensiones mínimas y características generales que deben cumplir las rampas para
facilitar el acceso de las personas estas deben tener una pendiente máxima de 12%.
En pendientes longitudinales (Figura 2.3) se establecen los rangos máximos para tramos
de rampa entre descansos, los cuales son medidos en su proyección horizontal.
14
Figura 2.3 Porcentajes de Pendientes
a) Hasta 15 metros: 6% a 8% equivalente a un ángulo de 3,43º.
b) Hasta 10 metros: 8% a 10% equivalente a un ángulo de 5,71º.
c) Hasta 3 metros: 10% a 12% equivalente a un ángulo de 6,84º.
Para el diseño se considera el valor más crítico 6,84º. La Figura 2.4 muestra el diagrama
de cuerpo libre de la Superficie con Pendiente Ascendente.
Figura 2.4 Superficie Pendiente Ascendente
15
∑F
X
=0
F − (Fr + W x ) = 0
F = Fr + W x
F = µ c * N + W * sen(φ )
F = µ c * N + m * g * sen(φ ) → (ec.3)
∑F
Y
=0
N − WY = 0
N = WY
N = W * cos(φ )
N = m * g * cos(φ ) → (ec.4)
(ec.4) → (ec.3)
F = µ c * m * g * cos(φ ) + m * g * sen(φ )
F = m * g * (µ c * cos(φ ) + sen(φ ))
F = 1569,6 * (0.57 * cos(6,84°) + sen(6,84°))
F = 1075,23[ N ]
2.1.3
DETERMINACIÓN DE LA FUERZA MÁXIMA REQUERIDA EN UNA
SUPERFICIE DESCENDENTE.
La Figura 2.5 muestra
el diagrama de cuerpo libre de la Superficie con Pendiente
Descendente.
Figura 2.5 Superficie Pendiente Descendente
16
∑F
X
=0
Fr − (F + W x ) = 0
Fr = F + W x
F = µ c * N − W * sen(φ )
F = µ c * N − m * g * sen(φ ) → (ec.3)
∑F
Y
=0
N − WY = 0
N = WY
N = W * cos(φ )
N = m * g * cos(φ ) → (ec.4)
(ec.4) → (ec.3)
F = µ c * m * g * cos(φ ) − m * g * sen(φ )
F = m * g * (µ c * cos(φ ) − sen(φ ))
F = 1569,6 * (0.57 * cos(6,84°) − sen(6,84°))
F = 701,36[ N ]
2.1.4
DETERMINACIÓN DE LA POTENCIA DE LOS MOTORES.
Del análisis anterior se tiene que la peor condición corresponde al movimiento de la silla
de ruedas hacia delante, atrás, izquierda o derecha con pendiente ascendente, la fuerza
máxima es de 1075.03 [N] ó 109.58 kgf, considerando el accionamiento de los dos motores
o un motor según sea el caso.
Según los fabricantes de sillas de ruedas electrónicas el estándar de velocidad máxima se
encuentra en 2.45m/s (E-J,1995) [1].
Los motores para este proyecto son de corriente continua de 10 Amp y 12Vdc.
Potencia máxima=Velocidad máxima x Fuerza máxima.
Potencia máxima=2.45 m/s x 109.58kgf =268.47 watts.
Potencia del motor=V x I.
Potencia del motor=12Vdc x 10Amp =120 watts.
17
Se debe considerar un 10% de pérdidas que son causados por factores mecánicos de los
motores. Por lo tanto, la potencia efectiva máxima de cada motor es 110 watts y con esto
se procede a calcular la velocidad máxima de la silla de ruedas.
Potencia máxima del motor
Fuerza máxima
110 watts
Velocidad máxima =
= 1m / s
109.58 kgf
Velocidad máxima =
Con lo que se corrobora que los motores que se incluyen a la silla tienen la potencia
apropiada.
2.2 DISEÑO DEL SISTEMA ELÉCTRICO
Para la parte de potencia de la silla de ruedas se seleccionó una batería recargable de 12
Vdc 60Ah (Figura 2.6) y un Circuito troceador (Circuito de control) para los dos motores
de corriente continua de 12 Vdc 10 Amp con armadura y campo independientes. El
esquema general eléctrico se indica en la Figura 2.7.
Figura 2.6 Batería
18
Figura 2.7 Esquema Eléctrico
Para los valores de resistencia e inductancia, se toma los valores experimentales de la tesis
anterior, ya que se utiliza los mismos motores, siendo Ra=1.1 Ω y La = 4.28 mH (Figura
2.8 y Figura 2.9).
Figura 2.8 Esquema General Motor
19
Figura 2.9 Motor 12V, 10Amp
El control de los motores se realiza a través de un troceador reductor el cual permite la
conversión de voltaje de una fuente constante a otros niveles diferentes de voltaje. Este
troceador es de tipo A ya que actúa en el primer cuadrante, su corriente es unidireccional
y el voltaje es no reversible. En la Figura 2.10 se muestra las formas de onda del troceador
reductor.
Figura 2.10 Formas de Onda del Troceador-Reductor
20
La frecuencia de operación, se realiza a ∆I < 5% , donde el rizado máximo de corriente
que se da cuando δ = 0.5 ; esto quiere decir que el tiempo en alto (a) es igual al tiempo en
bajo (b) con lo cual a=b y se calcula el periodo a rizado máximo donde:
∆I =Rizado de Corriente.
E =Voltaje de la fuente.
Ra =Resistencia del motor.
La= Inductancia del motor.
T= Periodo.
a=b
T = a+b
a=
T
2
Ra
Ra
−a
−b



1 − e La 1 − e La 



E 


∆I =
Ra
Ra
−
T


1 − e La 




Ra
Ra
−a
− (T − a )



La 
1 − e La 1 − e


E 


∆I =
Ra
Ra
−2a


1 − e La 




1.1Ω
1.1Ω
−a
− (T − a )


4.3 mH
1 − e 4.3mH 1 − e


12V 

∆I =
1.1Ω
1.1Ω
−2a


1 − e 4.3mH 








Para ∆I = 5% → a=3.872 → T=7.744 ms → f=129Hz
21
2.3 SELECCIÓN DE LA BATERÍA
Para seleccionar la batería adecuada, se calcula la potencia efectiva de los motores donde:
Fma=1075.03 [N] ó 109.58 kgf. (Fuerza máxima).
Velocidad máxima=1m/s.
Pefmax=2xFmax Velocidad máxima.
Pefmax=2 x109.58 kgf, x1m/s.
Pefmax=219.16 watts.
Pefmax=V x I consumo
Con la potencia efectiva de los motores se calcula la corriente de consumo de los motores:
I consumo =
Pefmax. 219.16watts.
.=
= 18.26A.
V
12V
Según la norma INEN 1498, la batería se considera cargada cuando en sus bornes alcanza
el valor de 13,4V y se encuentra descargada cuando entre sus bornes alcanza 10.5V.
Considerando que el tiempo efectivo de movilización del usuario es de 2 horas por día,
con esto se calcula la capacidad de la batería.
C=I xT
(norma INEN 1498)
C: Capacidad de la batería expresada en Ah.
I: Corriente de descarga expresada en Amperios.
T: Tiempo de descarga expresada en horas.
I= I consumo
C=18.26Amp x 2 horas
C=36.52Ah.
La batería seleccionada es de 12 V y 60Ah, con la cual se calcula el tiempo de descarga.
22
T=
C
60Ah
=
= 3.28 horas
I 18.26Amp
Con esto el usuario de la silla de ruedas podría movilizarse en forma continua 3.28 horas.
2.4
SELECCIÓN DEL MICROCONTROLADOR PIC
Para el circuito de control se seleccionó un microcontrolador PIC 16F877A (ver ANEXO
1), el cual es el cerebro total del control y un PIC 16F628A (ver ANEXO 2) que
interactúa con la tarjeta de reconocimiento de voz HM2007.
El microcontrolador PIC 16F877A realiza las siguientes funciones:
1. Permite conocer la posición en la que se encuentra la silla de ruedas, adelante,
atrás, izquierda o derecha.
2. Permite el modo de funcionamiento: Modo manual, Modo por voz o Modo de
Ajustes del Sistema.
3. Ejecuta la Rampa de Aceleración y Desaceleración
tipo “S” a través de los
módulos PWM.
4. Realiza el control de los relés que permiten la inversión de giro de los motores.
5. Realiza el control por voz, interactuando con la tarjeta de reconocimiento de voz
HM2007 a través del PIC16F628A.
6. Permite conocer el estado de la batería, si se encuentra descargada.
7. Realiza la selección de velocidad y tiempo de la rampa a través del teclado,
LCD.
La distribución de pines del PIC16F877A se muestra en la Figura 2.11:
23
U1
OSCILADOR 4 MHZ
OSILADOR 4 MHZ
DETECCION ADELANTE
DETECCION ATRAS
DETECCION IZQUIERDA
DETECCION DERECHA
COLUMNA 1 TECLADO
FILA 1 TECLADO
FILA 2 TECLADO
FILA 3 TECLADO
FILA 4 TECLADO
Reset
13
14
OSC1/CLKIN
OSC2/CLKOUT
2
3
4
5
6
7
RB0/INT
RB1
RB2
RB3/PGM
RB4
RB5
RB6/PGC
RB7/PGD
RA0/AN0
RA1/AN1
RA2/AN2/VREF-/CVREF
RA3/AN3/VREF+
RA4/T0CKI/C1OUT
RA5/AN4/SS/C2OUT
RC0/T1OSO/T1CKI
RE0/AN5/RD
RC1/T1OSI/CCP2
RE1/AN6/WR
RC2/CCP1
RE2/AN7/CS
RC3/SCK/SCL
RC4/SDI/SDA
MCLR/Vpp/THV
RC5/SDO
RC6/TX/CK
RC7/RX/DT
8
9
10
1
RD0/PSP0
RD1/PSP1
RD2/PSP2
RD3/PSP3
RD4/PSP4
RD5/PSP5
RD6/PSP6
RD7/PSP7
33
34
35
36
37
38
39
40
15
16
17
18
23
24
25
26
19
20
21
22
27
28
29
30
DETECCION DE BATERIA BAJA
MODO AJUSTES DEL SISTEMA
MODO CONTROL POR VOZ
CHICHARRA
DATO 3 TARJETA DE VOZ
DATO 2 TARJETA DE VOZ
DATO 1 TARJETA DE VOZ
DATO 0 TARJETA DE VOZ
RELE 1
SALIDA PW M2 CONTROL M2
SALIDA PW M1 CONTROL M1
RELE 2
RELE 3
RELE 4
COLUMNA 4 TECLADO
INDICADOR
COLUMNA 2 TECLADO
COLUMNA 3 TECLADO
E LCD
RS LCD
D4 LCD
D5 LCD
D6 LCD
D7 LCD
PIC16F877A
Figura 2.11 Funciones Microcontrolador PIC16F877A
El microcontrolador PIC16F628A realiza las siguientes funciones:
1. Recibe los datos de la tarjeta HM2007 (Código BCD) y codifica.
2. Transmite los datos de las palabras identificadas hacia el PIC16F877A.
3. Detecta el estado de la batería, si se encuentra descargada.
La distribución de pines del PIC16F628A se muestra en la Figura 2.12.
U1
INDICADOR1_VOZ
DATO6
DATO5
16
15
4
RA7/OSC1/CLKIN
RA6/OSC2/CLKOUT
RA5/MCLR
RA0/AN0
RA1/AN1
RA2/AN2/VREF
RA3/AN3/CMP1
RA4/T0CKI/CMP2
RB0/INT
RB1/RX/DT
RB2/TX/CK
RB3/CCP1
RB4
RB5
RB6/T1OSO/T1CKI
RB7/T1OSI
17
18
1
2
3
6
7
8
9
10
11
12
13
DATO0
DATO1
DATO2
DATO3
DATO4
IN BATERIA BAJA
OUT BATERIA BAJA
INDICADOR2_VOZ
A0 PIC MASTER
A1 PIC MASTER
A2 PIC MASTER
A3 PIC MASTER
PIC16F628A
Figura 2.12 Funciones Microcontrolador PIC16F628A
24
2.4.1
DISEÑO
DEL
CIRCUITO
DE
RESET
Y
OSCILADOR
DEL
MICROCONTROLADOR PIC
El circuito de reset (Figura 2.13) sirve para reiniciar al microcontrolador PIC16F877A a su
estado inicial. Se debe tener cuidado que el microcontrolador no reciba más de 25 mA
como corriente de ingreso o salida por cualquiera de sus pines.
El microcontrolador PIC16F877A necesita un oscilador para su funcionamiento que se
conecta a GND con capacitores. El fabricante recomienda capacitores de 22 a 33 pF.
Para el resto de componentes se procede de la manera siguiente:
C1
C2
X1
CRYSTAL
13
4MHz
14
2
3
4
5
6
7
VDD4
RMCLR
8
9
10
1
U1
OSC1/CLKIN
OSC2/CLKOUT
RB0/INT
RB1
RB2
RB3/PGM
RB4
RB5
RB6/PGC
RB7/PGD
RA0/AN0
RA1/AN1
RA2/AN2/VREF-/CVREF
RA3/AN3/VREF+
RA4/T0CKI/C1OUT
RA5/AN4/SS/C2OUT
RC0/T1OSO/T1CKI
RE0/AN5/RD
RC1/T1OSI/CCP2
RE1/AN6/WR
RC2/CCP1
RE2/AN7/CS
RC3/SCK/SCL
RC4/SDI/SDA
MCLR/Vpp/THV
RC5/SDO
RC6/TX/CK
RC7/RX/DT
RD0/PSP0
RD1/PSP1
RD2/PSP2
RD3/PSP3
RD4/PSP4
RD5/PSP5
RD6/PSP6
RD7/PSP7
C3
33
34
35
36
37
38
39
40
15
16
17
18
23
24
25
26
19
20
21
22
27
28
29
30
PIC16F877A
Figura 2.13 Circuito Reset y Oscilador Microcontrolador PIC16F877A
Para la resistencia R MCLR el fabricante recomienda valores menores a 40KΩ. Se utiliza
R MCLR =5.6KΩ.
En la Figura 2.14 se indica el circuito diseñado.
25
C1
C2
22p
22p
X1
CRYSTAL
13
4MHz
14
2
3
4
5
6
7
VDD4
RMCLR
8
9
10
5k6
1
U1
OSC1/CLKIN
OSC2/CLKOUT
RB0/INT
RB1
RB2
RB3/PGM
RB4
RB5
RB6/PGC
RB7/PGD
RA0/AN0
RA1/AN1
RA2/AN2/VREF-/CVREF
RA3/AN3/VREF+
RA4/T0CKI/C1OUT
RA5/AN4/SS/C2OUT
RC0/T1OSO/T1CKI
RE0/AN5/RD
RC1/T1OSI/CCP2
RE1/AN6/WR
RC2/CCP1
RE2/AN7/CS
RC3/SCK/SCL
RC4/SDI/SDA
MCLR/Vpp/THV
RC5/SDO
RC6/TX/CK
RC7/RX/DT
RD0/PSP0
RD1/PSP1
RD2/PSP2
RD3/PSP3
RD4/PSP4
RD5/PSP5
RD6/PSP6
RD7/PSP7
C3
1uF
33
34
35
36
37
38
39
40
15
16
17
18
23
24
25
26
19
20
21
22
27
28
29
30
PIC16F877A
Figura 2.14 Circuito Reset y Oscilador Microcontrolador PIC16F877A Diseñado
Se utiliza un capacitor de 1uF para eliminar los rebotes producidos por el pulsador.
Para el PIC16F628A se utiliza el oscilador interno RC que posee y no se usa el pín
“master reset”.
2.4.2
DISEÑO DEL CIRCUITO DETECTOR DEL ESTADO DE LA SILLA DE
RUEDAS.
Para determinar la posición de la silla de ruedas se utiliza pulsadores (Figura 2.15)
colocados estratégicamente dentro del joystick con el cual se selecciona el movimiento de
la silla de ruedas: adelante, atrás, izquierda y derecha.
La corriente de entrada que soporta el pin del microcontrolador PIC es de 25 mA entonces
para un pulsador tenemos que:
R=
VDD 4
5V
=
= 200Ω
I PIC
25mA
26
Esto quiere decir que la resistencia mínima a colocarse sería de 200 Ω para estar al límite
de la capacidad que soporta el PIC pero no es aconsejable trabajar con los límites por lo
que se recomienda utilizar una resistencia de 1 KΩ a 10KΩ así el PIC estaría trabajando
con una corriente de entrada de 5mA a 0.5mA respectivamente.
Para el diseño se utiliza una resistencia de 5.6 KΩ en cada pulsador R A0 = R A1 = R A2 = R A3
=5.6KΩ con lo que se tiene una corriente de 0.89mA la cual se encuentra dentro de los
límites dados anteriormente.
VDD4
VDD4
VDD4
VDD4
RA0
RA1
RA2
RA3
5k6
5k6
5k6
5k6
PIC RA0
PULSADOR
ADELANTE
PIC RA1
PULSADOR
ATRAS
PIC RA2
PULSADOR
DERECHA
PIC RA3
PULSADOR
IZQUIERDA
Figura 2.15 Circuito Detector de Estado Diseñado
2.4.3
DISEÑO DELCIRCUITO DEL TECLADO Y LCD.
El circuito del teclado (Figura 2.16) posee cuatro entradas (columnas) y cuatro salidas
(filas) que ingresan y salen del microcontrolador PIC.
Con el teclado se ingresa la velocidad de crucero y se selecciona el tiempo de arranque y
frenado de la silla de ruedas.
Se utiliza el mismo valor de la resistencia para no sobrepasar los limites de corriente al
ingresar al microcontrolador PIC 16F877A C11 = C22 = C33 = C44 =5.6KΩ
27
VDD4
C22
C33
C44
5k6
5k6
5k6
5k6
4
PIC RC6
3
PIC RD1
2
PIC RD0
1
PIC RA4
C11
ON
0
=
+
C
1
2
3
PIC RE0
B
4
5
6
PIC RE1
A
7
8
9
PIC RE2
D
PIC RA5
C
Figura 2.16 Diseño Teclado
El LCD (Figura 2.17) funciona en modo de 4 bits y utiliza 6 pines del microcontrolador
PIC 16F877A para su funcionamiento y sirve para visualizar todos los procesos y ajustes
del sistema.
LCD1
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
7
8
9
10
11
12
13
14
RS
RW
E
4
5
6
1
2
3
VSS
VDD
VEE
LM016L
PIC RD2
POT
PIC RD7
PIC RD6
PIC RD3
10K
PIC RD5
PIC RD4
Figura 2.17 Diseño del circuito del LCD
En la Figura 2.18 se indica el módulo Teclado LCD.
28
Figura 2.18 Módulo Teclado LCD
2.4.4
CIRCUITO SELECTOR DEL MODO DE OPERACIÓN DE LA SILLA DE
RUEDAS
La silla de ruedas tiene tres modos de operación: modo Manual, modo Semiautomático o
control por Voz y modo de Selección de Parámetros del Sistema.
Para seleccionar cualquiera de estos modos se utiliza un selector de dos posiciones. Por
defecto se encuentra en modo Manual y en cualquiera de las dos posiciones se pasa a
modo Semiautomático o modo de Selección de Parámetros del Sistema. En la Figura 2.19
se indica el selector de operación.
29
VDD4
VOZ
PARAMETROS
5k6
5k6
PIC RB1
PARAMETROS
VOZ
MANUAL
PIC RB2
SELECTOR
2 POSICIONES
Figura 2.19 Circuito Modo de Operación
Se utiliza el mismo valor de la resistencia para no sobrepasar los limites de corriente al
ingresar al microcontrolador PIC16F877A VOZ=PARAMETROS=5.6KΩ.
30
2.4.5
CIRCUITO DE CONTROL DE LOS MOTORES DE DC
El esquema General de Control que se utiliza para el control de los dos motores se indica
en la Figura 2.20.
BATERIA
12v
D1
NTE5940
RELE2/4
RELE1/3
CONTROL
RELE2/4
RELE1/3
Q2
C3856
Figura 2.20 Esquema General de Control
Para el control del troceador de los dos motores se diseñó el siguiente circuito (Figura
2.21):
31
+12v
VDD1=12V
U1
1
+88.8
RPWM
PIC
6
NTE5940
5
2
4
RBQ1
Q1
TIP122
OPTOCOUPLER-NPN
RQPWM
Q2
C3856
RQ1
RQ2
Figura 2.21 Circuito de Control
Los pines del PIC que generan los módulos PWMs son RC1 (CCP2) y RC2 (CCP1).
R PWM =
VPIC − VD
I RPWM
Siendo VPIC =5V, VD =1.5V y
IRPWM =15mA (corriente menor a 25mA de salida del
microcontrolador PIC).
R PWM =
5V - 1.5V
= 233.33Ω
15mA
R PWM =270Ω
Por motivos prácticos se utiliza R PWM =330Ω.
Para la activación de los transistores se utiliza un opto transistor 4N25 (ver ANEXO3),
para aislar el circuito de potencia del circuito de control.
La corriente máxima que circula por Q2 es 10Amp ya que los motores son de 10Amp. Se
utiliza el transistor C3856 (ver ANEXO4) que soporta hasta 15Amp y 180V.
32
IcQ 2 = 10 A
VCE SAT Q1 = 2V
VBEQ 2 = 1.3V
β Q 2 = 2 .5
El valor de β Q 2 se obtuvo realizando pruebas con los transistores. Este valor es menor
comparado con el del fabricante ( β Q 2 =50). Esto se debe a que los elementos
semiconductores no son originales.
Para el cálculo de RQPWM (resistencia de corte y saturación del transistor Q2) se tiene:
Ic Q2 = β Q 2 Ib Q2
Ib Q2 =
IcQ2
βQ 2
=
10 A
= 4A
2 .5
VDD1 = VCESAT Q1 + VRQPWM + VBEQ 2 .
VRQPWM = VDD1 − VCESAT Q1 − VBEQ 2 .
IRQPWM xRQPWM = VDD1 − VCESAT Q1 − VBEQ 2 .
IRQPWM = Ib Q2
RQPWM =
VDD1 − VCESAT Q1 − VBEQ 2
IRQPWM
12V − 2V − 1.3V
4A
= 2.17Ω
RQPWM =
RQPWM
RQPWM = 2.2Ω
Para la potencia de RQPWM se tiene:
PRQPWM = IRQPWM xRQPWM
2
PRQPWM = 4 A2 x 2.2Ω
PRQPWM = 35watts
33
El criterio para calcular el valor RQ 2 (resistencia para reducir el tiempo de apagado del
transistor Q2) es:
I RESISTENCIA ≤
I BASE
10
A partir de la expresión anterior se tiene:
IRQ 2 =
RQ 2
≥
VEQ1
RQ 2 ≥
VEQ1
RQ 2
≤
IbQ 2
10
10
IbQ 2
10 xVEQ1
IbQ 2
VEQ1 = VDD1 − VCE Q1= 12V − 2V
VEQ1 = 10V
10 x10V
4A
≥ 25Ω
RQ 2 ≥
RQ 2
RQ 2 = 150 KΩ
Por motivos prácticos se toma RQ 2 = 150 KΩ para reducir la corriente que circula por el
transistor Q1 cuando esta en saturación y así disminuir las pérdidas. Un valor de 25Ω es el
límite que garantiza que el transistor Q2 se apague. Para la potencia de RQ 2 se tiene:
IR Q2 =
VEQ1
R Q2
=
10
150 KΩ
IR Q2 = 0.066mA
PR Q2 = IR Q2 xR Q2 = 0.066mA2 x150 KΩ
2
PR Q2 = 0.65mwatts
Para la segunda etapa se utiliza el transistor TIP122 Q1 (ver ANEXO5) que soporta hasta
5Amp y 100V.
34
β Q1 = 500 (Valor obtenido realizando pruebas)
VCESAT opto = 0.5V
VBEQ1 = 2.5V
Para el cálculo de RBQ1 (resistencia de corte y saturación del transistor Q1) se tiene:
Ic Q1 = IR Q2 + Ib Q2
Ic Q1 = 0.066mA + 4 A
Ic Q1 ≈ 4A
Ic Q1 = β Q1Ib Q1
Ib Q1 =
Ic Q1
βQ1
=
4A
= 7.98mA
500
VDD1 = VCESAT opto + VRBQ1 + VBEQ1.
VRBQ1 = VDD1 − VCESAT opto − VBEQ1.
IRBQ1 xRBQ1 = VDD1 − VCESAT opto − VBEQ1.
IRBQ1 = Ib Q1
RBQ1 =
VDD1 − VCESAT opto − VBEQ1.
IRBQ1
12V − 0.5V − 2.5V
7.98mA
= 1.12 KΩ
RBQ1 =
RBQ1
RBQ1 = 1KΩ
Para la potencia de RBQ1 se tiene:
PRBQ1 = IRBQ1 xRBQ1
2
PRBQ1 = 7.98mA2 x1KΩ
PRBQ1 = 63.68mwatts
El criterio para calcular el valor RQ1 (resistencia para reducir el tiempo de apagado del
transistor Q1) es:
35
IRQ1 =
VEOPTO IbQ1
≤
RQ1
10
RQ1
≥
VEOPTO
RQ1 ≥
10
IbQ1
10 xVEOPTO
IbQ1
VEOPTO = VDD1 − VCE OPTO1= 12V − 0.5V
VEOPTO = 11.5V
10 x11.5V
8mA
RQ1 ≥ 14.37 KΩ
RQ1 ≥
RQ1 = 1.2 MΩ
Por motivos prácticos se toma RQ1 = 1.2 MΩ para reducir la corriente que circula por el
opto transistor cuando está en saturación y así disminuir las pérdidas. Un valor de
14.37KΩ es el límite que garantiza que el transistor Q1 se apague. Para la potencia de RQ1
se tiene:
IRQ1 =
VEOPTO
11.5V
=
RQ1
1.2 MΩ
IRQ1 = 9.58uA
PRQ1 = IRQ1 xRQ1 = 9.58uA2 x1.2 MΩ
2
PRQ1 = 0.11mwatts
En la Figura 2.22 se indica el circuito de control diseñado.
36
+12v
VDD1=12V
U1
1
+88.8
RPWM
PIC
6
330R
NTE5940
5
2
4
OPTOCOUPLER-NPN
RBQ1
Q1
TIP122
1K
RQPWM
Q2
C3856
2.2R
RQ1
1.2M
RQ2
150k
Figura 2.22 Circuito de Control Diseñado.
El diodo en paralelo al motor es el NTE5940 (ver ANEXO6) que soporta hasta 15Amp y
sirve para que se disipe la energía de la bobina cuando el transistor Q2 esta en la región de
corte o apagado.
2.4.6
CIRCUITO DE CONTROL DE RELÉS PARA EL SENTIDO DE GIRO DE
LOS MOTORES
Para la inversión del sentido de giro de los motores se utiliza un puente H con relés
(Figura 2.23). No se utilizó mosfets ya que se utiliza una fuente de 12V y para su
activación se necesita elevados voltajes.
37
RELE4
RELE2
RELE1
RELE2
RELE3
RELE1
RELE4
RELE3
Figura 2.23 Puente H de Relés Motores.
El control de cada relé (Figura 2.24) se lo realiza a través de los pines de salida del
microcontrolador PIC:
RC0 =RELE1, RC3 = RELE 2, RC4 = RELE 3, RC5 = RELE 4
38
VDD1=12V
RELE
1N4001
RELE1
PIC
RLY-DPCO
D1
OR1
1
6
5
2
4
ROR1
2N3904
Q1
OPTOCOUPLER-NPN
R111
Figura 2.24 Circuito de Control de Relés.
Siendo VPIC =5V, VD =1.5V y I RELE =15mA
(corriente menor a 25mA de salida del
microcontrolador PIC)
R ELE1 =
V PIC − V D
I RELE
=
5V - 1.5V
= 233.33Ω
15mA
RELE1 =270Ω
Por motivos prácticos se utiliza R PWM =330Ω.
Para la activación de los relés se utiliza transistores 2N3904 (ver ANEXO7), opto
transistores 4N25 (ver ANEXO 3) y relés KN110-2C-24A (ver ANEXO 8).
La corriente que consume la bobina de los relés es 150mA. A partir de esto se comienza
el diseño.
IcQ1 =150mA
β = 30 (2N3904)
39
Para el cálculo de ROR1 (resistencia de corte y saturación del transistor Q1 para activar la
bobina del relé) se tiene:
IcQ1 = β * IbQ1
IbQ1 =
IcQ1
β
=
150mA
= 5mA
30
VDD1 = VCE SAT opto + VROR1 + VBEQ1
VROR1 = VDD1 − VCE SAT opto − VBEQ1
VROR1 = VDD1 − VCE SAT opto − VBEQ1
IbQ1 xROR1 = VDD1 − VCE SAT opto − VBEQ1
ROR1 =
VDD1 − VCE SAT opto − VBEQ1
IbQ1
12V − 0.5V − 0.95V
5mA
= 2,110 KΩ
ROR1 =
ROR1
ROR1 = 2 KΩ
Para la potencia de RQ1 se tiene que:
ROR1 = 2,110 KΩ
ROR 1 = 2 KΩ
PROR1 = IbQ1 xROR1
2
PROR1 = 5mA2 x 2 KΩ
PROR1 = 0.05watts
El criterio para calcular el valor R111 (resistencia para reducir el tiempo de apagado del
transistor Q1) es:
40
IR 111 =
Ib Q 1
VE OPTO
≤
R111
10
R111
10
≥
VE OPTO
Ib Q 1
R111 ≥
10 xVE OPTO
Ib Q 1
VE OPTO = V DD 1 − VCE
OPTO 1
= 12 V − 0 . 5V
VE OPTO = 11 . 5V
10 x11 . 5V
5 mA
≥ 23 K Ω
R111 ≥
R111
R1 = 1 . 2 M Ω
Por motivos prácticos se toma R111 = 1.2MΩ para reducir la corriente que circula por el
opto transistor cuando esta en saturación y así disminuir las pérdidas. Una resistencia de
23KΩ garantiza que el transistor Q1 se apague. Para la potencia de R111 se tiene:
IR111 =
VEOPTO
11.5V
=
R111
1.2 MΩ
IR111 = 9.58uA
PR111 = IR111 xR111 = 9.58uA2 x1.2 MΩ
2
PR111 = 0.11mwatts
En la Figura 2.25 se indica el circuito diseñado.
41
VDD1=12V
RELE
RELE1
PIC
RLY-DPCO
D1
1N4001
OR1
1
6
330R
5
2
4
OPTOCOUPLER-NPN
2N3904
ROR1
Q1
2K
R111
2K
Figura 2.25 Circuito de Control de Relés Diseñado.
2.4.7
CIRCUITO DETECTOR DE BATERÍA BAJA Y BATERÍA CARGADA.
Según la norma INEN 1498, una batería se considera descargada cuando entre sus bornes
tiene 10.5V y se considera cargada cuando entre sus bornes mide 13.8V.
Para este diseño se diseñó un comparador (Figura 2.26) mediante el amplificador
operacional LM324 (ver ANEXO 9) que puede ser polarizado desde 3 a 36 voltios. Se
conecta al microcontrolador PIC a través del opto transistor.
VDD
4
U1:A
V+
1
2
11
V-
3
Vout
LM324
Figura 2.26 Comparador de Voltaje.
Si V+>V-
Vout=VDD
42
Si V+<V-
Vout=GND
Para indicar batería baja el circuito comparador (Figura 2.27) detecta voltajes menores a
10.5V y avisa al microcontrolador PIC que la batería está descargada. Para acoplarse al
microcontrolador PIC se utiliza un opto transistor para aislar el circuito de control.
VDD0=10.5V
VDD2=7.11V
VDD4=5V
ROP1
ROP3
RRB0
V+
4
U1:A
3
1
ROPOUT
BATERIA
1
6
2
5
V11
2
ROP2
LM324
PIC RB0
4
ROP4
Figura 2.27 Detector de Batería Baja.
Para el cálculo se tiene:
VDD 0 = VROP1 + VROP 2
Si ROP1 = ROP 2 = 10 KΩ
VDD 0 =10.5V (Batería Baja)
V− =
VDD 0 xROP 2
10.5Vx10 KΩ
=
= 5.25V
ROP1 + ROP 2 10 KΩ + 10 KΩ
El valor límite para la detección es 5.25V cuando la batería se encuentra descargada. Para
calcular el valor de ROP 3 (resistencia del divisor de voltaje) se tiene que V+ =5.25V, por
tanto:
43
V+ =
VDD 2 xROP 4
ROP 3 + ROP 4
Si ROP 4 = 56 KΩ
VDD 2 =7.11V (Valor medido)
V+ =
VDD 2 xROP 4
ROP 3 + ROP 4
ROP 3 x(V + ) = VDD 2 xROP 4 − ROP 4 (V + )
VDD 2 xROP 4 − ROP 4 (V + )
(V + )
R x(V
− (V + ))
= OP 4 DD 2
(V + )
56 KΩx(7.11V − 5.25V )
=
5.25V
= 19.84 KΩ
ROP 3 =
ROP 3
ROP 3
ROP 3
ROP 3 = 20 KΩ
Para calcular el valor de ROPOUT (resistencia de activación del opto transistor) se tiene:
I OPTO =15mA
VDD 2 =7.11V
ROPOUT =
VDD 2 7.11V
=
= 474Ω
I opto 15mA
ROPOUT = 470Ω
Para llegar al microcontrolador PIC se utiliza RRB 0 =5.6KΩ
para no sobrepasar la
corriente de 25mA que ingresa al pín Detección de Batería Baja (RB0) del PIC16F628A.
En la Figura 2.28 se indica el circuito diseñado.
44
VDD0=10.5V
VDD2=7.11V
VDD4=5V
ROP1
ROP3
10k
20k
RRB0
U1:A
5.6k
4
V+
3
1
2
ROPOUT
10k
56k
5
2
11
ROP4
6
470
V-
ROP2
BATERIA
1
LM324
PIC RB0
4
Figura 2.28 Detector de Batería Baja Diseñado.
Para cargar la batería se toma un tiempo estimado de 8 a 10 horas, tiempo en el que el
usuario descansa. Para esto se implementó el circuito de la Figura 2.29.
R1
2.2/20w
1N5408
TR1
1N5408
1N5408
110VAC
6800u
6800u
BATERIA
1N5408
TRAN-2P3S
1N5408
1N5408
Figura 2.29 Cargador de Batería
Para indicar batería cargada el circuito comparador (Figura 2.30) detecta voltajes mayores
a 13.8V y el indicador luminoso que se encuentra en el joystick se apaga.
45
VDD0=13.8V
VDD2=7.11V
ROP1
ROP3
U1:A
D1
4
V+
3
1
ROPOUT
2
LED
11
V-
ROP2
LM324
ROP4
Figura 2.30 Detector de Batería Cargada.
Para el cálculo se tiene:
VDD 0 = VROP1 + VROP 2
Si ROP1 = ROP 2 = 10 KΩ
VDD 0 =13.8V (Batería Cargada)
V− =
VDD 0 xROP 2
13.8Vx10 KΩ
=
= 6.9V
ROP1 + ROP 2 10 KΩ + 10 KΩ
El valor límite para la detección es 6.9V. Para calcular el valor de ROP 3 (resistencia del
divisor de voltaje) se tiene que V+ =6.9V, por tanto:
V+ =
VDD 2 xROP 4
ROP 3 + ROP 4
Si ROP 4 = 220 KΩ
VDD 2 =7.11V (Valor medido)
46
V+ =
VDD 2 xROP 4
ROP 3 + ROP 4
ROP 3 x(V + ) = VDD 2 xROP 3 − ROP 4 (V + )
VDD 2 xROP 4 − ROP 4 (V + )
(V + )
R x(V − (V + ))
= OP 4 DD 2
(V + )
220 KΩx(7.11V − 6.9V )
=
6.9V
= 6.69 KΩ
ROP 3 =
ROP 3
ROP 3
ROP 3
ROP 3 = 6.8 KΩ
Para calcular el valor de ROPOUT (resistencia de activación del led indicador) se tiene:
I led =15mA
VDD 2 =7.11V
ROPOUT =
VDD 2 7.11V
=
= 474Ω
I led
15mA
ROPOUT = 470Ω
El circuito diseñado se muestra en la Figura 2.31
VDD0=13.8V
VDD2=7.11V
ROP3
10k
6.8k
U1:A
V+
3
1
2
11
ROP4
10k
220k
ROPOUT
470
V-
ROP2
D1
4
ROP1
LED
LM324
Figura 2.31 Detector de Batería Cargada Diseñado.
47
2.5 PROGRAMACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DEL SUBSISTEMA
DE RECONOCIMIENTO DE VOZ
La acción de reconocimiento de voz se realiza con el circuito integrado HM2007 (ver
ANEXO 10), el cual permite reconocer 40 palabras de 0.96 segundos ó 20 palabras de
1.92 segundos de longitud. Las tarjetas de Reconocimiento de Voz se muestran en la
Figura 2.32.
Figura 2.32 Tarjetas de Reconocimiento de Voz.
2.5.1
HARDWARE DEL SISTEMA DE RECONOCIMIENTO DE VOZ.
El circuito del sistema de reconocimiento de voz se muestra en la Figura 2.33
48
Figura 2.33 Hardware del sistema de reconocimiento de voz.
El circuito integrado HM2007 necesita una memoria SRAM HM6264 (ANEXO 11)
externa donde almacena la información de cada una de las palabras.
El almacenamiento de las palabras se las realiza por medio del teclado y se pueden
almacenar ya sea 40 o 20 palabras según sea el caso.
La palabra se graba a través de un micrófono. El circuito HM2007 la almacena en la
memoria SRAM externa y el circuito integrado 74LS373 (ver ANEXO 12) latch envía la
49
palabra a través del circuito integrado decodificador a siete segmentos 74LS7448 (ver
ANEXO 13), para que las palabras grabadas no se borren la memoria SRAM está
alimentada por una pila de litio de 3V.
2.5.2
PROGRAMACION DEL CIRCUITO INTEGRADO HM2007.
Para empezar a programar el circuito integrado HM2007 se debe elegir el modo de
operación del tamaño de las palabras, sí se quiere palabras de longitud de 0.96 segundos o
de 1.92 segundos. Esto se consigue quitando o agregando un jumper que se encuentra en
la board del circuito HM2007:
JUMPER=ON
JUMPER=OFF
20 Palabras de longitud 1.92 s.
40 Palabras de longitud 0.96 s.
El orden de las palabras a grabar son ingresadas por teclado, y se muestran en los dos
displays. Se elige un número para cada palabra a grabar, el indicador de grabación se
apaga, se presiona la tecla TRN y se graba la palabra.
Los errores que se presentan en el Hm2007 y son mostrados en sus displays son:
55= Palabra Larga.
66= Palabra Corta.
77= Palabra no Encontrada.
Para borrar una palabra se ingresa el número de la palabra a borrar y se presiona la tecla
CLR.
Si se quiere borrar toda la información grabada en la memoria se ingresa el número 99.
Aparece en los displays el numero 19 en ese momento se debe presionar la tecla CLR.
El teclado del sistema de reconocimiento de voz se muestra en la Figura 2.34
50
Figura 2.34 Teclado HM2007.
2.5.3
IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE RECONOCIMIENTO DE VOZ
HM2007 CON EL MICROCONTROLADOR PIC16F628A.
Para la implementación del sistema de reconocimiento de voz con el microcontrolador
PIC16F628A, se utiliza el puerto BCD de los displays del HM2007 y se acopla al
microcontrolador PIC16F628A a través de transistores, que detectan el estado de lógico de
cada palabra procesada.
En el microcontrolador PIC16F628A se utilizan siete pines para el reconocimiento de cada
palabra: Dato0 (RA0), Dato1 (RA1), Dato2 (RA2), Dato3 (RA3), Dato4 (RA4), Dato5
(RA5), Dato6 (RA6), mientras que en el HM2007 se utiliza los siete bits que corresponden
a los decodificadores 74LS7448 a 7 segmentos provenientes del Latch 74LS373.
El microcontrolador PIC16F628A se comunica con el PIC master 16F877A a través de los
pines: A0 PIC MASTER (RB4), A1 PIC MASTER (RB5), A2 PIC MASTER (RB6), A4
PIC MASTER (RB7).
El microcontrolador PIC16F877A se comunica con el PIC master 16F628A a través de los
pines: DATO3 TARJETA DE VOZ (RB4), DATO2 TARJETA DE VOZ (RB5), DATO1
TARJETA DE VOZ (RB6), DATO0 TARJETA DE VOZ (RB7).
51
Los datos provenientes del Latch se encuentran en código BCD los cuales son codificados
mediante el PIC16F628A para luego ser enviados hacia el PIC master el cual realiza la
respectiva acción de control.
Se implementó un circuito (Figura 2.35) que da un aviso de que la palabra fue pronunciada
correctamente.
β = 30 2N3904
IC BOCINA = 120mA
120mA
= 4mA
β
30
VPic − VBE2 N 3904 5V − 0.95V
=
=
= 1012.5Ω
IRBOCINA
4mA
IRBOCINA =
RBOCINA
ICBOCINA
=
RBOCINA = 1KΩ
VDD1=12V
LS1
BOCINA
RBOCINA
Q1
2N3904
Pic RB3
1k
Figura 2.35 Circuito Bocina Diseñado.
52
2.6 DISEÑO DE LAS FUENTES DE PODER
La principal fuente de alimentación es la batería de 12 V, 60 Ah, que sirve para el
accionamiento de los motores de DC y el circuito de control.
El circuito de control, al estar constituido por un microcontrolador PIC para el control de
velocidad y elementos TTL para el control por voz, necesita un voltaje de alimentación de
5V.
Se diseñaron dos fuentes de 7.5V independientes para los dos circuitos de control, para el
control de velocidad y el circuito de control por voz.
Para el circuito de detección de batería baja, se utiliza la misma fuente de 7.5V del
circuito de control por voz.
2.6.1
DISEÑO DE LAS FUENTES REGULADAS DE 7,5 VOLTIOS
Se diseñó dos fuentes de 7,5V (Figura 2.36) a partir de un consumo de corriente
aproximado de 600mA. Dado que estas fuentes serán utilizadas para a su vez obtener la
fuente de 5V para los microcontroladores PIC y la tarjeta de reconocimiento de voz
HM2007. Para la fuente de 5V se utiliza el circuito integrado LM7805 para el cual se
necesita que el voltaje en la entrada sea mayor en 2V; es decir 7V, entonces por seguridad
se escoge 7,5V.
53
VDD0
VDD1
D1
L
U1
LM317L
F1
VI
VO
2
ADJ
3
1N4001
R1
1
SWI
VDD2
C2
C1
BATERIA
R2
12V
60 Ah
D2
LM317L
VI
U2
VO
2
VDD3
R3
1
ADJ
3
1N4001
C3
R4
Figura 2.36 Fuentes Reguladas a 7.5V
Se diseñó un filtro LC a la entrada de las fuentes reguladas, para eliminar transitorios
generados en el accionamiento de los motores. Los valores de L y C son experimentales,
L=100mH y C=3300uF.
El fusible F1 se escoge de 1 Amp, para limitar el consumo desde las dos fuentes.
Para el diseño se utiliza el circuito integrado LM317 (ver ANEXO 14), que es una fuente
regulada variable de 1.2 V a 37V y una corriente de salida máxima de 1,5Amp. Según el
fabricante se tiene:
54
  R 
VDD 2 = VREF 1 +  2   + IadjR2
  R1  
VREF = 1.25V
V DD 2 = 7.5V
Iadj=50uA (Dado por el fabricante)
  R 
7.5V = 1.25V 1 +  2   + 50uAR2
  R1  
Para el cálculo de las resistencias se tiene:
Si R1 = 5.6 KΩ
  R2  
7.5V = 1.25V 1 + 
  + 50uAR2
  5 .6 K Ω  
R2
7.5V − 1.25v = 1.25V
+ 50uAR2
5 .6 K Ω
R2
7.5V − 1.25v = 1.25V
+ 50uAR2
5 .6 K Ω
R2
6.25v = 1.25V
+ 50uAR2
5 .6 K Ω
6.25v = 223.21uAR2 + 50uAR2
6.25v = 273.21uAR2
6.25V
273.21uA
R2 = 22.87 KΩ
R2 =
R2 = 22 KΩ
Para el cálculo del capacitor se tiene:
C2=1uF dado por el fabricante.
VDD 2 = VDD 3 =7.5V
55
R1 = R3
R 2 = R4
R3 = 5.6 KΩ
R4 = 22 KΩ
En la Figura 2.37 se muestra la fuente Regulada de 7,5V diseñada.
VDD0
VDD1
D1
L
3
VI
VO
2
ADJ
1A
U1
LM317L
F1
1N4001
100mH
R1
5k6
1
SWI
VDD2
C2
C1
BATERIA
1uF
3300uF
R2
12V
60 Ah
22k
D2
LM317L
VI
U2
VO
1
ADJ
3
1N4001
2
VDD3
R3
5k6
C3
1uF
R4
22k
Figura 2.37 Fuentes Reguladas de 7.5V Diseñadas.
56
2.6.2
DISEÑO DE LAS FUENTES REGULADAS DE 5 VOLTIOS
El circuito integrado LM7805 (ver ANEXO 15) es un regulador a 5V y una corriente de
salida máxima de 1Amp (Figura 2.38).
D1
1N4001
U3
7805
1
VI
VO
3
VDD4
2
GND
VDD2
C4
Figura 2.38 Fuente Regulada a 5V
Según el fabricante recomienda C4=0.1uF a la salida del LM7805. En la Figura 2.39 se
muestra el circuito diseñado.
VDD0
VDD1
L
1N4001
U3
7805
2
1
R1
5k6
1
VI
VO
C2
C1
3
VDD4
GND
VO
2
VI
ADJ
3
100mH
SWI
BATERIA
D1
U1
LM317L
F1
1A
1N4001
VDD2
D1
C4
1uF
3300uF
R2
12V
60 Ah
22k
D2
LM317L
VI
U2
VO
1
ADJ
3
1N4001
2
VDD3
R3
5k6
C3
1uF
R4
22k
Figura 2.39 Fuente Regulada a 5V Diseñada
57
En este Capítulo se han diseñado todos los circuitos implementados en el sistema, tomando
en cuenta para el diseño elementos disponibles en el mercado ecuatoriano.
58
CAPÍTULO 3
DISEÑO DEL SOFTWARE DE CONTROL
En este capítulo se detallan sobre el desarrollo del programa para los Microcontroladores
PIC16F877A y PIC16F628A, que son Controladores Integrados Programables, los cuales
poseen muchas ventajas frente a otros dispositivos convencionales: son de fácil
programación, mayor exactitud, gran capacidad de procesamiento, entre las principales
características.
El Controlador Integrado Programable PIC16F877A fue programado para que realice
todas las acciones de control como son: la generación de las dos rampas tipo “S” para la
aceleración y desaceleración, control de sentido de giro de los motores, selección de la
velocidad de crucero de 0 a 1 m/s y el tiempo que controla la pendiente de las rampas de 1
a 9 segundos, selección del modo de funcionamiento: modo Manual, modo
Semiautomático, modo Selección de Parámetros del Sistema y visualización de cada uno
de los eventos
en los cuales se encuentra la silla de ruedas, entre otras que serán
explicadas más adelante.
El Controlador Integrado Programable PIC16F628A fue programado para que realice la
codificación de las palabras dadas por el circuito integrado HM2007 y envíe las palabras
correctas hacia el PIC master.
3.1 CONTROLADOR INTEGRADO PROGRAMABLE PIC
En la Figura 3.1 y la Figura 3.2
se muestra la distribución de pines de cada
microcontrolador PIC.
59
Figura 3.1 PIC 16F877A
Figura 3.2 PIC 16F628A
Los microcontroladores PIC de la familia 16FXX poseen un sin número de recursos y
dispositivos periféricos, entre los principales se puede citar:
RECURSOS FUNDAMENTALES
•
Procesador de arquitectura RISC Avanzada.
•
Poseen fuentes de interrupción internas y externas.
•
Modos de direccionamiento directo, indirecto y relativo.
•
Perro Guardián (WDT).
•
Modo SLEEP de bajo Consumo
•
Hasta 8Kbytes palabras de 14 bits para la memoria de Código, tipo FLASH
(PIC16F877A) y hasta 2Kbytes palabras de 12 bits (PIC16F628A).
60
•
Hasta 368 bytes de memoria de Datos RAM (PIC16F877A) y hasta 224 bytes
(PIC16F628A).
•
Hasta 256 bytes de memoria de datos EEPROM (PIC16F877A) y hasta 128 bytes
(PIC16F628A).
•
Cogido de protección programable.
•
35 instrucciones para la programación y se ejecutan en un ciclo de maquina.
•
Voltaje de alimentación entre 2 y 5.5V
•
Bajo consumo.
DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS.
•
TIMER 0: Contador /Temporizador de 8 bits con predivisor de 8 bits.
•
TIMER 1: Contador /Temporizador de 16 bits con predivisor.
•
TIMER 2: Contador /Temporizador de 8 bits con predivisor y postdivisor.
•
Módulos de Captura/Comparación/PWM.
•
Conversor A/D.
•
Puerto Serie Sincrónico (SSP) con SPI e I2C.
•
USART.
•
Puerta paralela Esclava (PSP).
3.2 RAMPA TIPO “S”
La rampa tipo “S” permite realizar un arranque y frenado suave, que para el caso de las
silla es fundamental para sustituir a las rampas lineales convencionales.
Para realizar la rampa tipo “S” se utiliza una función cosenoidal
dada por el software
PIC BASIC (Figura 3.3) que da el coseno en 8 bits. El resultado está dado en forma de
dos complementos -127 a 127.
61
Esta función “cos” utiliza una tabla de un cuarto de onda para encontrar el resultado. El
coseno comienza con un valor en radianes binarios de 0 a 255 en vez de los 0 a 359
Grados.
Figura 3.3 Función “cos” PIC BASIC
Para este diseño se utiliza la siguiente función (Figura 3.4):
Y =
COS ( DATO) + 127
A
A: Factor para variar la amplitud de la función (Figura 3.5).
Figura 3.4 Función Implementada
62
Figura 3.5 Amplitudes de Función Implementada Factor A
Para la rampa tipo “S” de aceleración (Figura 3.6) se toma el periodo desde DATO =128
hasta DATO=255.
Figura 3.6 Rampa de Aceleración
Para la rampa tipo “S” de desaceleración (Figura 3.7) se toma el periodo desde DATO =0
hasta DATO=127.
Figura 3.7 Rampa de Desaceleración
63
3.3 ACTIVACION DE LOS MOTORES
Los motores son controlados por 4 relés (Figura 3.8), que realizan la inversión de giro y
son accionados por el microcontrolador PIC16F877A (Tabla 3.1).
RELE4
RELE2
RELE1
RELE3
RELE2
RELE1
RELE4
RELE3
Figura 3.8 Puente H de Relés
Los pines para el control de los relés son:
•
RC0= RELE1
•
RC3=RELE2
•
RC4=RELE3
•
RC5=RELE4
MOTOR1 MOTOR2 MOVIMIENTO
RELE1
RELE2
RELE3
RELE4
ON
OFF
ON
OFF
ON
ON
ADELANTE
OFF
ON
OFF
ON
ON
ON
ATRAS
64
OFF
OFF
ON
OFF
OFF
ON
IZQUIERDA
ON
OFF
OFF
OFF
ON
OFF
DERECHA
Tabla 3.1 Activación Motores
3.4 CODIFICACIÓN DE LAS PALABRAS
Las palabras son enviadas desde el circuito integrado HM2007 en forma de dos números
BCD. El
microcontrolador PIC16F628A codifica los 7 bits y envía
las palabras
reconocidas a 4 bits al microcontrolador PIC16F877A (Tabla 3.2).
MOVIMIENTO
PALABRA
HM2007
PIC 16F628A
PIC 16F877A
SILLA
PARAR
01 BCD
01 BCD
0001b
0001b
PARADA
ADELANTE
02 BCD
02 BCD
0010b
0010b
ADELANTE
ATRAS
03 BCD
03 BCD
0011b
0011b
ATRAS
DERECHA
04 BCD
04 BCD
0100b
0100b
DERECHA
IZQUIERDA
08 BCD
08 BCD
1000b
1000b
IZQUIERDA
Tabla 3.2 Códigos Control por Voz
65
3.5 PROGRAMACIÓN GENERAL
3.5.1
LÓGICA DE FUNCIONAMIENTO DEL MICROCONTROLADOR PIC
16F877A
La lógica de funcionamiento (Figura 3.9) da la idea general de cómo funciona el sistema en
su totalidad.
INICIO
CONFIGURAR REGISTROS Y
PINES DE CONTROL
MENSAJE INICIAL
MENSAJE
DE BATERIA
BAJA
SI
BATERIA
BAJA
NO
SELECCIONAR MODO
DE OPERACION
MODO
MANUAL
NO
MODO SELECCIÓN
DE PARÁMETROS DE
FUNCIONAMIENTO
MODO
SEMIAUTOMATICO
MODO MANUAL
SI
MODO
SEMIAUTOMATICO
NO
SI
MODO
AJUSTES
SI
NO
FIN
Figura 3.9 Secuencia general del programa de control PIC16F877A
66
La estructura del algoritmo para lograr las tareas indicadas anteriormente se describen a
continuación en lenguaje estructurado.
CONFIGURAR REGISTROS Y PINES DE CONTROL
Etiquetar Pines.
Configurar Registros Auxiliares.
Configurar Registros Principales.
Configurar Puertos.
Configurar LCD a 4 bits.
Configurar PWM.
FIN TAREA
MENSAJE INICIAL
Mostrar en el LCD:
“ESCUELA POLITECNICA NACIONAL”
“ING ELECTRONICA Y CONTROL”
“ING HENRY PATRICIO CHANGO ALVAREZ”
“ING ROBERTO CARLOS TOCTAGUANO TIPAN”
“SILLA DE RUEDAS CONTROLADA POR VOZ Y JOYSTICK”
FIN TAREA
MENSAJE BATERÍA BAJA.
Si Batería Baja esta Activo.
Mostrar en el LCD:
“BATERIA BAJA POR FAVOR”
“APAGUE EL SISTEMA”
FIN TAREA
MODO MANUAL
Si Modo Manual está activo.
Activar subrutina SONIDO
Mostrar en el LCD “MODO MANUAL”.
Activar subrutina ESPERA MANDO.
Si Modo Adelante está activo.
Mostrar en el LCD “SILLA ADELANTE”.
Activar Subrutina RELES ADELANTE.
Activar Subrutina PWM12 para generar la Rampa tipo “S” de aceleración.
Si Modo Atrás está activo.
Mostrar en el LCD “SILLA ATRÁS”.
67
Activar Subrutina RELES ATRÁS.
Activar Subrutina PWM12 para generar la Rampa tipo “S” de aceleración.
Si Modo Derecha está activo.
Mostrar en el LCD “SILLA DERECHA”.
Activar Subrutina RELES DERECHA.
Activar Subrutina PWM DERECHA para generar la Rampa tipo “S” de
aceleración.
Si Modo Izquierda está activo.
Mostrar en el LCD “SILLA IZQUIERDA”.
Activar Subrutina RELES IZQUIERDA.
Activar Subrutina PWM IZQUIERDA para generar la Rampa tipo “S” de
aceleración.
Si Modo Parar está activo.
Si Modo Adelante y Atrás fue activado.
Activar Subrutina DRAMPA12 para generar la Rampa tipo “S” de
desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS.
Mostrar en el LCD “SILLA PARADA”.
Si Modo Derecha fue activado.
Activar Subrutina DPWM DERECHA para generar la Rampa tipo “S”
de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS.
Mostrar en el LCD “SILLA PARADA”.
Si Modo Izquierda fue activado.
Activar Subrutina DPWM IZQUIERDA para generar la Rampa tipo “S”
de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS.
Mostrar en el LCD “SILLA PARADA”.
FIN TAREA
A continuación en la Figura 3.11 da la idea general de cómo funciona el modo Manual.
68
MODO
MANUAL
SONIDO
ESPERA
MANDO
NO
MODO ADELANTE
SI
MODO ATRÁS
NO
NO
RELÉS
ADELANTE
SI
RELÉS
ATRAS
MODO DERECHA
SI
MODO IZQUIERDA
RELÉS
DERECHA
VERIFICAR
ESTADO
ANTERIOR
VERIFICAR
ESTADO
ANTERIOR
GENERAR RAMPA
PWM DERECHA
SI
NO
MODO
PARAR
RELÉS
IZQUIERDA
VERIFICAR
ESTADO
ANTERIOR
GENERAR RAMPA
PWM IZQUIERDA
GENERAR RAMPA
PM12
VOLVER
Figura 3.11 Modo Manual
A continuación en la Figura 3.12 da la idea general de cómo funciona el modo Parar del
modo manual.
69
MODO
PARAR
ESTADO ANTERIOR
ADELANTE Ó ATRÁS
SI
GENERAR RAMPA DE
DESACELERACIÓN
DRAMPA12
NO
ESTADO
ANTERIOR
DERECHA
NO
SI
GENERAR RAMPA
DE
DESACELERACION
DPWM DERECHA
NO
ESTADO ANTERIOR
IZQUIERDA
SI
GENERAR RAMPA
DE
DESACELERACION
DPWM IZQUIERDA
RELÉS
APAGADOS
VOLVER
Figura 3.12 Modo Parar.
MODO SEMIAUTOMÁTICO
Si Modo Semiautomático está activo
Activar subrutina SONIDO
Mostrar en el LCD “CONTROL POR VOZ”
Activar subrutina ESPERA MANDO.
Si la palabra “ADELANTE” está activa.
Activar subrutina SONIDO
Si el estado anterior es Atrás
70
Activar Subrutina DRAMPA12 para generar la Rampa tipo “S”
de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS.
Si el estado anterior es Izquierda
Activar Subrutina DPWM IZQUIERDA
para generar la
Rampa tipo “S” de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS.
Si el estado anterior es Derecha
Activar Subrutina DPWM DERECHA para generar la Rampa
tipo “S” de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS.
Mostrar en el LCD “SILLA ADELANTE”.
Activar Subrutina RELES ADELANTE
Activar Subrutina PWM12 para generar la Rampa tipo “S” de aceleración.
Si la palabra “ATRÁS” está activa.
Activar subrutina SONIDO
Si el estado anterior es Adelante.
Activar Subrutina DRAMPA12 para generar la Rampa tipo “S”
de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS.
Si el estado anterior es Izquierda
Activar Subrutina DPWM IZQUIERDA
para generar la
Rampa tipo “S” de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS
Si el estado anterior es Derecha
Activar Subrutina DPWM DERECHA para generar la Rampa
tipo “S” de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS
Mostrar en el LCD “SILLA ATRÁS”.
Activar Subrutina RELES ATRÁS.
Activar Subrutina PWM12 para generar la Rampa tipo “S” de aceleración.
Si la palabra “DERECHA” está activa.
Activar subrutina SONIDO
Si el estado anterior es Adelante o Atrás.
Activar Subrutina DRAMPA12 para generar la Rampa tipo
“S” de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS.
Si el estado anterior es Izquierda
Activar Subrutina DPWM IZQUIERDA
para generar la
Rampa tipo “S” de desaceleración.
71
Activar Subrutina RELES APAGADOS
Mostrar en el LCD “SILLA DERECHA”.
Activar Subrutina RELES DERECHA.
Activar Subrutina PWM DERECHA para generar la Rampa tipo “S” de
aceleración.
Si la palabra “IZQUIERDA” está activa.
Activar subrutina SONIDO
Si el estado anterior es Adelante o Atrás.
Activar Subrutina DRAMPA12 para generar la Rampa tipo
“S” de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS.
Si el estado anterior es Derecha.
Activar Subrutina DPWM DERECHA para generar la
Rampa tipo “S” de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS.
Mostrar en el LCD “SILLA IZQUIERDA”.
Activar Subrutina RELES IZQUIERDA
Activar Subrutina PWM IZQUIERDA para generar la Rampa tipo “S” de
aceleración.
Si la palabra “PARAR” está activa.
Activar subrutina SONIDO
Si el estado anterior es Adelante y Atrás.
Activar Subrutina DRAMPA12 para generar la Rampa tipo “S”
de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS.
Mostrar en el LCD “SILLA PARADA”.
Si el estado anterior es Derecha.
Activar Subrutina DPWM DERECHA para generar la Rampa
tipo “S” de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS
Mostrar en el LCD “SILLA PARADA”.
Si el estado anterior es Izquierda.
Activar Subrutina DPWM IZQUIERDA
para generar la
Rampa tipo “S” de desaceleración.
Activar Subrutina RELES APAGADOS
Mostrar en el LCD “SILLA PARADA”.
FIN TAREA
72
A continuación en la Figura 3.13 y la Figura 3.14 da la idea general de cómo funciona el
modo Semiautomático.
Figura 3.13 Modo Semiautomático
73
Figura 3.14 Modo Semiautomático
74
MODO SELECCIÓN DE PARÁMETROS DEL SISTEMA
Si Modo Selección de Parámetros está activo
Activar subrutina SONIDO
Mostrar en el LCD “PARAMETROS DEL SISTEMA”
Activar subrutina ESPERA MANDO
Activar subrutina TECLADO para ingresar el valor de la velocidad de crucero.
Activar subrutina TECLADO para ingresar el tiempo de las rampas de aceleración y
desaceleración.
FIN TAREA
A continuación en la Figura 3.15 da la idea general de cómo funciona el modo Selección
de Parámetros de Funcionamiento.
Figura 3.15 Modo Selección de Parámetros de Funcionamiento
75
Subrutina ESPERA MANDO
Activar subrutina RELES APAGADOS
Activar subrutina STOP PWMS
FIN TAREA
Subrutina PWM12
Cargar valor inicial 128 en DATO.
Generar la rampa tipo “S” con la función Y de aceleración.
Cargar el valor de Y en los registros CCPR1L y CCPR2L
Incrementar el DATO de la rampa y esperar tiempo.
FIN TAREA
A continuación en la Figura 3.16 da la idea general de la Subrutina PWM12.
Figura 3.16 Subrutina PWM12
76
Subrutina PWM DERECHA
Cargar valor inicial 128 en DATO.
Generar la rampa tipo “S” con la función Y de aceleración.
Cargar el valor de Y en el registro CCPR1L.
Incrementar el DATO de la rampa y esperar tiempo.
FIN TAREA
A continuación en la Figura 3.17 da la idea general de la Subrutina PWM DERECHA.
Figura 3.17 Subrutina PWM DERECHA
77
Subrutina PWM IZQUIERDA
Cargar valor inicial 128 en DATO.
Generar la rampa tipo “S” con la función Y de aceleración.
Cargar el valor de Y en el registro CCPR2L.
Incrementar el DATO de la rampa y esperar tiempo.
FIN TAREA
A continuación en la Figura 3.18 da la idea general de la Subrutina PWM IZQUIERDA.
Figura 3.18 Subrutina PWM IZQUIERDA
78
Subrutina DRAMPA12
Cargar valor inicial 0 en DATO.
Generar la rampa tipo “S” con la función Y de desaceleración.
Cargar el valor de Y en los registros CCPR1L y CCPR2L.
Incrementar el DATO de la rampa y esperar tiempo.
FIN TAREA
A continuación en la Figura 3.19 da la idea general de la Subrutina DRAMPA12.
SUBRUTINA
DRAMPA12
CARGAR VALOR
INICIAL PARA LA
RAMPA
DATO=0
GENERAR RAMPA “S” DE
DESACELERACIÓN
CARGAR EL VALOR Y EN CCPR1L Y
CCPR2L
INCREMENTAR DATO
ESPERAR TIEMPO
TERMINAR
RAMPA
NO
SI
RETURN
Figura 3.19 Subrutina DRAMPA12
79
Subrutina DPWM DERECHA
Cargar valor inicial 0 en DATO.
Generar la rampa tipo “S” con la función Y de desaceleración.
Cargar el valor de Y en el registro CCPR1L.
Incrementar el DATO de la rampa y esperar tiempo.
FIN TAREA
A continuación en la Figura 3.20 da la idea general de la Subrutina DPWM DERECHA.
SUBRUTINA
DPWM DERECHA
CARGAR VALOR
INICIAL PARA LA
RAMPA
DATO=0
GENERAR RAMPA “S” DE
DESACELERACIÓN
CARGAR EL VALOR Y EN CCPR1L
INCREMENTAR DATO
ESPERAR TIEMPO
NO
TERMINAR
RAMPA
SI
RETURN
Figura 3.20 Subrutina DPWM DERECHA
80
Subrutina DPWM IZQUIERDA
Generar la rampa tipo “S” con la función Y de desaceleración.
Cargar el valor de Y en el registro CCPR2L.
FIN TAREA
A continuación en la Figura 3.21 da la idea general de la Subrutina DPWM IZQUIERDA.
SUBRUTINA
DPWM
IZQUIERDA
CARGAR VALOR
INICIAL PARA LA
RAMPA
DATO=0
GENERAR RAMPA “S” DE
DESACELERACIÓN
CARGAR EL VALOR Y EN CCPR2L
INCREMENTAR DATO
ESPERAR TIEMPO
TERMINAR
RAMPA
NO
SI
RETURN
Figura 3.21 Subrutina DPWM IZQUIERDA
81
Subrutina RELES APAGADOS
Apagar RELE1, RELE2, RELE3, RELE4.
FIN TAREA
Subrutina RELES ADELANTE
Activar RELE1 y RELE3.
Apagar RELE2 y RELE4.
FIN TAREA
Subrutina RELES ATRAS
Activar RELE2 y RELE4.
Apagar RELE1 y RELE3.
FIN TAREA
Subrutina RELES DERECHA
Activar RELE1 y RELE3.
Apagar RELE2 y RELE4.
FIN TAREA
Subrutina RELES IZQUIERDA
Activar RELE1 y RELE3.
Apagar RELE2 y RELE4.
FIN TAREA
Subrutina SONIDO
Activar BOCINA.
FIN TAREA
Subrutina STOP PWMS
Cargar el valor de 0 en el registro CCPR1L
Cargar el valor de 0 en el registro CCPR2L
FIN TAREA
Subrutina TECLADO
Activar FILA4
Apagar FILA1, FILA2 y FILA3
Si COLUMNA1 está inactiva
Tecla presionada es 1
Si COLUMNA2 está inactiva
Tecla presionada es 2
82
Si COLUMNA3 está inactiva
Tecla presionada es 3
Si COLUMNA4 está inactiva
Tecla presionada es A
Activar FILA1
Apagar FILA2, FILA3 y FILA4
Si COLUMNA1 está inactiva
Tecla presionada es 4
Si COLUMNA2 está inactiva
Tecla presionada es 5
Si COLUMNA3 está inactiva
Tecla presionada es 6
Si COLUMNA4 está inactiva
Tecla presionada es B
Activar FILA2
Apagar FILA3, FILA4 y FILA1
Si COLUMNA1 está inactiva
Tecla presionada es 7
Si COLUMNA2 está inactiva
Tecla presionada es 8
Si COLUMNA3 está inactiva
Tecla presionada es 9
Si COLUMNA4 está inactiva
Tecla presionada es C
Activar FILA3
Apagar FILA4, FILA1 y FILA2
Si COLUMNA1 está inactiva
Tecla presionada es ESC
Si COLUMNA2 está inactiva
Tecla presionada es 0
Si COLUMNA3 está inactiva
Tecla presionada es ←
Si COLUMNA4 está inactiva
Tecla presionada es D
FIN TAREA
A continuación, para aquellas tareas que requieren más detalles se procede a ampliar su
descripción.
83
3.5.2.1 Configuración de registros y pines de control
Etiquetado de Pines
El etiquetado se realiza para facilitar la identificación de los pines de los puertos y se tiene:
RB1= MVOZ: Selección del modo Semiautomático CONTROL POR VOZ
RB2= MAJUSTES: Selección del modo SELECCIÖN DE PARAMETROS DEL
SISTEMA.
RA0= M_ADELANTE: Pulsador adelante joystick
RA1= M_ATRAS: Pulsador atrás joystick.
RA3= M_DERECHA: Pulsador derecha joystick.
RA2= M_IZQUIERDA: Pulsador izquierda joystick.
RB7= A0: BIT 0 Palabra Control por Voz.
RB6= A1: BIT 1 Palabra Control por Voz.
RB5= A2: BIT 2 Palabra Control por Voz.
RB4= A3: BIT 3 Palabra Control por Voz.
RB0= BATERIA: Indicador de batería baja.
RA5= FILA1: Fila1.
RE0= FILA2: Fila2.
RE1= FILA3: Fila3.
RE1= FILA4: Fila4
RA4= COL1 Columna1.
RD0= COL2: Columna2.
RD1= COL3: Columna3.
RC6= COL4: Columna4.
RC0= RELAY1: Rele1.
RELAY2= RC3: Rele2.
RC4= RELAY3: Rele3.
RC5= RELAY4: Rele1.
RB3= BOCINA: Bocina.
RC7= INDICADOR: Indicador Luminoso
84
Configuración de Registros Auxiliares
La configuración de registros Auxiliares se realiza para facilitar la lógica de programación
y se tiene:
Y: Función cosenoidal de la rampa tipo “S”.
DATO: Dato que realiza la rampa tipo “S”.
TECLA: Datos ingresados por teclado.
TIEMPOD: Tiempo entre cada incremento del módulo PWM.
DADELANTE: Variable para verificar el estado anterior Adelante.
DATRAS: Variable para verificar el estado anterior Atrás.
DDERECHA: Variable para verificar el estado anterior Derecha.
DIZQUIERDA: Variable para verificar el estado anterior Izquierda.
VELOCIDAD: Variable para el ingreso de la velocidad de crucero.
VELOCIDAD1: Variable para el ingreso de la velocidad de crucero.
VELOCIDAD2: Variable para el ingreso de la velocidad de crucero.
VELOCIDAD_IN: Variable de la velocidad final de crucero.
PORCENTAJE_VARIABLE: Variable para calcula el Factor A
A: Variable para calcular la amplitud de los PWMS
AUX: Variable para ingresar correctamente la velocidad de crucero.
DATO _ ESTADO: Variable para ver el estado anterior en el mando manual.
Configuración de Registros Principales
Se configura los Registros TRISA, TRISB, TRISC, TRISD, TRISE para definir a los
puertos como entradas y salidas digitales, donde 0 significa salida y 1 entrada. Los valores
a continuación se encuentran expresados en código binario.
TRISA=%00011111
TRISB=%11110111
TRISC=%01000000
TRISD=%00000011
TRISE=%00000000
85
Se configura el Registro ADCON1 para definir al puerto A y puerto E como digital ya que
el microcontrolador PIC 16F877A usa estos puertos para el conversor A/D. El valor está
expresado en decimal y se tomó del manual del microcontrolador PIC 16F877A (ver
ANEXO 1).
ADCON1=6
Configuración de Puertos
El Puerto A es configurado como entradas y salidas digitales, y es el que sirve para el
control manual por joystick:
RA0: Adelante.
RA1: Atrás.
RA2: Derecha.
RA3: Derecha.
RA4: Columna 1.
RA5: Fila 1.
En el Puerto B los bits más significativos son configurados como entradas para recibir las
señales del PIC16F628A. Los bits menos significativos son configurados como entradas
para leer los modos: Semiautomático, Selección de Parámetros del sistema, Detector de
Batería Baja, y BOCINA indicador sonoro de palabra correcta e ingreso al modo de
operación.
RB4:A3 (Dato 3 reconocimiento de voz).
RB5:A2 (Dato 2 reconocimiento de voz).
RB6:A1 (Dato 1 reconocimiento de voz).
RB7:A0 (Dato 0 reconocimiento de voz).
RB2: MVOZ.
RB1: MAJUSTES.
RB0: BATERÍA BAJA.
RB3: BOCINA.
86
El puerto C es configurado como entradas y salidas digitales:
RC1: PWM2.
RC2: PWM1.
RC0: Relé 1.
RC3: Relé 2.
RC4: Relé 3.
RC5: Relé 4.
RC6: Columna 4.
RC7: Indicador de control por voz.
El puerto D es configurado como entradas y salidas digitales:
RD0: Columna 2.
RD1: Columna 3.
RD2: E (Enable LCD).
RD3: RS (Línea de control LCD).
RD4-RD7: Líneas de datos del LCD.
El puerto E es configurado como salidas digitales:
RE0: Fila 2.
RE2: Fila 3.
RE3: Fila 4.
Configuración de LCD
Se define la librería para utilizar el LCD en modo 4 bits:
LCD_DREG
PORTD
LCD_DBIT 4
LCD_RSREG
LCD_RSBIT 3
: Define pines de datos del LCD en el puerto D.
: Los datos empiezan desde el pín RD4 al pín RD7.
PORTD
: Configura el pín RS en el puerto D.
: Configura al pín RD3 como RS.
87
LCD_EREG
PORTD
LCD_EBIT 2
: Configura el pín E (Enable) en el puerto D.
: Configura al pín RD2 como E.
Se utiliza el LCD en modo de 4 bits para disminuir el número de pines utilizados en el
microcontrolador PIC.
El bus de control está formado por 3 señales: RS, R/W y E. La señal E es la señal de
validación de los datos. Cuando no se utiliza el LCD esta señal permanece en 0, sólo en las
transferencias de información (lecturas o escrituras) se pone en 1 para validar los datos,
pasando después de un tiempo a 0. RS (Register Select) selecciona el registro interno del
LCD sobre el que se va a leer/escribir. El LCD dispone de dos registros internos: Registro
de control y registro de datos. Ambos registros son de lectura y escritura. RS=0 selecciona
el registro de control. RS=1 el registro de datos. RW no se utiliza en la configuración ya
que por hardware se encuentra conectado a GND para que el LCD solo realice operaciones
de escritura.
Configuración del PWM
Los pasos a seguir para la configuración del modo PWM son:
1. Asignar el periodo cargando el valor en el Registro PR2.
2. Asignar el ancho del pulso cargando en el registro CCPR1L.
3. Configurar los pines RC1 y RC2 como salidas digitales.
4. Asignar el valor del predivisor y activar el TMR2 en el registro T2CON.
5. Configurar el módulo CCP1 en modo PWM.
El periodo del PWM es calculado con la siguiente expresión:
TPWM = [(PR 2 ) + 1]x 4 xTosc (TMR 2 PRE − ESCALADOR )
PR 2 =
TPWM
−1
4 xTosc (TMR 2 PRE − ESCALADOR )
88
La frecuencia de operación óptima es 244Hz, que esta dentro del valor calculado en el
Capitulo 2 cumpliendo con la condición de rizado de corriente y con esta frecuencia el
motor funcionó de la mejor manera.
El registro PR2 se carga con el valor 255 para obtener la frecuencia y el predivisor del
TMR2 de 16.
Para variar el ancho de pulso depende del contenido cargado en el registro CC PR1L.
AnchoPulso = (CCPR1L : CCPICON < 4 : 5 >) xT osc xTMR 2 PRE − ESCALADOR
89
3.5.2
LÓGICA DE FUNCIONAMIENTO DEL MICROCONTROLADOR PIC
16F628A
La lógica de funcionamiento (Figura 3.10) da la idea general de cómo funciona el sistema
del PIC 16F628A con el sistema de reconocimiento de voz.
INICIO
CONFIGURAR REGISTROS Y PINES
DE CONTROL
ACTIVAR
INDICADOR
SI
BATERÍA BAJA
NO
LEER
PALABRA
SI
ADELANTE
SI
ENVIAR
DATO
ADELANTE
NO
NO
ATRÁS
NO
SI
IZQUIERDA
SI
ENVIAR
DATO
ATRAS
NO
DERECHA
NO
SI
PARAR
ENVIAR
DATO
IZQUIERDA
NO
SI
ENVIAR
DATO
ADELANTE
ENVIAR
DATO
PARAR
FIN
Figura 3.10 Secuencia general del programa de control PIC16F628A
90
La estructura del algoritmo para lograr las tareas indicadas anteriormente se describen a
continuación en lenguaje estructurado.
CONFIGURAR REGISTROS Y PINES DE CONTROL
Etiquetar Pines.
Configurar Registros Auxiliares.
Configurar Registros Principales.
Configurar Puertos.
FIN TAREA
ACTIVAR INDICADOR
Si Batería Baja esta activa
Activar Out Batería Baja
FIN TAREA
PARAR
Si palabra “PARAR” esta activa.
Enviar Dato al PIC Master palabra Parar (01)
FIN TAREA
ADELANTE
Si palabra “ADELANTE” esta activa.
Enviar Dato al PIC Master palabra Adelante (02)
FIN TAREA
ATRÁS
Si palabra “ATRÁS” esta activa.
Enviar Dato al PIC Master palabra Atrás (03)
FIN TAREA
DERECHA
Si palabra “DERECHA” esta activa.
Enviar Dato al PIC Master palabra Derecha (04)
FIN TAREA
IZQUIERDA
Si palabra “IZQUIERDA” esta activa.
Enviar Dato al PIC Master palabra Izquierda (08)
FIN TAREA
91
A continuación, para aquellas tareas que requieren más detalles se procede a ampliar su
descripción.
3.5.2.1 Configuración de registros y pines de control
Etiquetado de Pines
El etiquetado se realiza para facilitar la identificación de los pines de los puertos y se tiene:
RB3= INDICADOR VOZ 2: Indicador Luminoso.
RA7= INDICADOR VOZ 1: Indicador Luminoso.
RB0= IN BATERÍA BAJA: Entrada para verificar el estado de la Batería.
RB2= OUT BATERÍA BAJA: Indicador de Batería Baja.
RB4= A0: Dato LSB hacia el PIC master.
RB5= A1: Dato hacia el PIC master.
RB6= A2: Dato hacia el PIC master
RB7= A3: Dato MSB hacia el PIC master.
Configuración de Registros Auxiliares
La configuración de registros Auxiliares se realiza para facilitar la lógica de programación
y se tiene:
PALABRA_IN: Variable para cargar el dato de la palabra a verificar.
UNO: Variable para comparar con el código de la palabra “PARAR”.
ONCE: Variable para comparar con el código de la palabra “PARAR”.
VEINTE_UNO: Variable para comparar con el código de la palabra “PARAR”.
TREINTA_UNO: Variable para comparar con el código de la palabra “PARAR”.
DOS: Variable para comparar con el código de la palabra “ADELANTE”.
DOCE: Variable para comparar con el código de la palabra “ADELANTE”.
VEINTE_DOS: Variable para comparar con el código de la palabra “ADELANTE”.
TREINTA_DOS: Variable para comparar con el código de la palabra “ADELANTE”.
TRES: Variable para comparar con el código de la palabra “ATRAS”.
92
TRECE: Variable para comparar con el código de la palabra “ATRAS”.
VEINTE_TRES: Variable para comparar con el código de la palabra “ATRAS”.
TREINTA_TRES: Variable para comparar con el código de la palabra “ATRAS”.
CUATRO: Variable para comparar con el código de la palabra “DERECHA”.
CATORCE: Variable para comparar con el código de la palabra “DERECHA”.
VEINTE_CUATRO: Variable para comparar con el código de la palabra “DERECHA”.
TREINTA_CUATRO: Variable para comparar con el código de la palabra “DERECHA”.
OCHO: Variable para comparar con el código de la palabra “IZQUIERDA”.
DIESIOCHO: Variable para comparar con el código de la palabra “IZQUIERDA”.
VEINTE_OCHO: Variable para comparar con el código de la palabra “IZQUIERDA”.
TREINTA_OCHO: Variable para comparar con el código de la palabra “IZQUIERDA”.
Configuración de Registros Principales
Se configura los Registros TRISA, TRISB para definir a los puertos como entradas y
salidas digitales, donde 0 significa salida y 1 entrada. Los valores a continuación se
encuentran expresados en código binario.
TRISA=%01111111
TRISB=%00000011
Se configura el Registro CMCON
para definir al puerto A como digital ya que el
microcontrolador PIC 16F628A usa este puerto para el conversor A/D. El valor está
expresado en decimal y se tomó del manual del microcontrolador PIC 16F628A (ver
ANEXO 2).
CMCON=7
Configuración de Puertos
El puerto A es configurado como entradas y salidas digitales donde se reciben los datos
del circuito HM2007:
93
RA0: Ingreso DATO0 HM2007.
RA1: Ingreso DATO1 HM2007.
RA2: Ingreso DATO2 HM2007.
RA3: Ingreso DATO3 HM2007.
RA4: Ingreso DATO4 HM2007.
RA5: Ingreso DATO5 HM2007.
RA6: Ingreso DATO6 HM2007
RA7: INDICADOR DE VOZ 1.
El puerto B es configurado como entradas y salidas digitales:
RB4: Salida Dato 0 reconocimiento de voz.
RB5: Salida Dato 0 reconocimiento de voz.
RB6: Salida Dato 0 reconocimiento de voz.
RB7: Salida Dato 0 reconocimiento de voz.
RB3: INDICADOR DE VOZ 2.
RB2: OUT BATERÍA BAJA.
RB0: IN BATERÍA BAJA.
En este Capítulo se ha diseñado el software de todo el sistema de control para realizar las
pruebas de funcionamiento de todo el sistema y obtener los resultados esperados en el
siguiente Capítulo.
94
CAPÍTULO 4
PRUEBAS Y RESULTADOS
En este capítulo se realizan pruebas para probar el comportamiento de la silla para cuando
sea sometida a su trabajo diario.
4.1 PRUEBAS DE LA RAMPA TIPO “S”
Con estas pruebas se comprobó que el microcontrolador realiza las rampas tipo “S” de
aceleración y desaceleración en el arranque y frenado de la silla a diferentes pendientes y
diferentes velocidades de crucero.
Se realizaron tres pruebas para verificar la forma de la trayectoria tipo “S” en el arranque y
frenado de la silla de ruedas a la velocidad máxima de 1m/s (3.6Km/h) y se graficó en el
programa computacional Matlab.
Para realizar estas pruebas se tomó pendientes con duración de 1 a 9 seg. en pasos de
1seg.; donde la pendiente máxima es 1 seg. (Figura 4.1) y la pendiente mínima es 9 seg.
(Figura 4.2).
Velocidad de crucero
Rampa de Aceleración
Rampa de Desaceleración
Velocidad Inicial
Velocidad Inicial
1seg
1seg
Figura 4.1 Pendiente Máxima
95
Velocidad de crucero
Rampa de Aceleración
Rampa de Desaceleración
Velocidad Inicial
Velocidad Inicial
9seg
9seg
Figura 4.2 Pendiente Mínima
Al recorrer la silla la distancia de 1m se puede calcular la velocidad a pendiente máxima y
mínima aproximando una rampa lineal (Figura 4.3):
[m/s]
Velocidad de crucero
[seg]
Velocidad Inicial
Tiempo
Figura 4.3 Pendiente Mínima
Velocidad P.Máxima =
Velocidad P.Minima =
Dis tan cia
1[m]
=
= 1m / s = 3.6 Km / h
Tiempo P.Maxima 1[seg ]
Dis tan cia
1[m]
=
= 0.11m / s = 0.396 Km / h
Tiempo P.Minima 9[seg ]
Primero se tomaron los valores del módulo PWM del registro CCPR1L del
microcontrolador PIC16F877A del algoritmo de control. El registro de control CCPR1L
varia desde 0 a 255 valores, por ser un registro de 8 bits, siendo 255 el valor máximo del
ancho del pulso.
96
En la Figura 4.4 se muestran las formas de onda de la rampa tipo “S” de aceleración dadas
por el algoritmo de control realizado con diferentes pendientes.
300
250
200
PWM
150
100
50
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tiempo de la Rampa [s]
Figura 4.4 Rampa de Aceleración PWM
En la Figura 4.5 se muestran las formas de onda de la rampa tipo “S” de desaceleración
dadas por el algoritmo de control realizado con diferentes pendientes.
PWM
300
250
200
150
100
50
0
0
1
2
3
4
Tiempo de la Rampa[s]
5
6
7
8
9
Figura 4.5 Rampa de Desaceleración PWM
97
Segundo se midió los valores de voltaje aplicados al motor, con la velocidad máxima de
1m/s (3.6Km/h) para determinar si el circuito de control lograba su objetivo de
acelerar/desacelerar el motor siguiendo la curva “S”.
En la Figura 4.6 se muestra las formas de onda de voltaje aplicadas sobre el motor en el
momento del arranque con diferentes pendientes.
Voltaje del Motor[v]
12
10
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
Tiempo de la Rampa[seg]
5
6
7
8
9
Figura 4.6 Rampa de Aceleración Motor
En la Figura 4.7 se muestra las formas de onda de voltaje aplicadas al motor en el
momento de frenado con diferentes pendientes.
98
Voltaje del motor[v]
12
10
8
6
4
2
0
0
1
2
3
4
Tiempo de la Rampa[s]
5
6
7
8
9
Figura 4.7 Rampa de Desaceleración Motor
Tercero se midió los valores de voltaje de salida del microcontrolador PIC (RC2) al
realizar la rampa a velocidad máxima de 1m/s (3.6Km/h).
En la Figura 4.8 se muestran las formas de onda de la rampa tipo “S” de aceleración dadas
por el microcontrolador PIC16F877A con diferentes pendientes.
Voltaje Pic [v]
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tiempo de la Rampa[s]
Figura 4.8 Rampa de Aceleración PIC
99
En la Figura 4.9 se muestran las formas de onda de la rampa tipo “S” de desaceleración
dadas por el microcontrolador PIC16F877A con diferentes pendientes.
Voltaje Piv [v]
4.5
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
1
2
3
4
Tiempo de la Rampa [s]
5
6
7
8
9
Figura 4.9 Rampa de Desaceleración PIC
Con el algoritmo realizado en el sistema de control se logró obtener una trayectoria tipo
“S” en el arranque y frenado de la silla de ruedas.
Para realizar las pruebas de variación de velocidad se tomó velocidades de 0.1 a 1m/s en
pasos de 0.1 m/s con la pendiente de duración de 1seg. y se graficó en el programa
computacional Matlab.
En la Figura 4.10 se muestra las diferentes velocidades describiendo la trayectoria tipo “S”
en el momento del arranque de la silla de ruedas. Esta gráfica se realizó tomando los
valores de voltaje en los terminales del motor.
100
10.98V
1
10.38V
0.9
9.53 V
0.8
8.69V
0.7
7.95V
Velocidad
Motor[m/s]
0.6
7.11V
0.5
6.17V
0.4
5.38V
0.3
4.59V
0.2
3.84V
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Tiempo de la rampa [s]
Figura 4.10 Rampas de Aceleración
En la Figura 4.11 se muestra las diferentes velocidades describiendo la trayectoria tipo “S”
en el momento de frenado de la silla de ruedas. Esta gráfica se realizó tomando los valores
de voltaje en los terminales del motor.
101
10.98V
1
10.38V
0.9
9.53V
0.8
8.69V
0.7
Velocidad
motor [m/s]
7.95V
0.6
7.11V
0.5
6.17V
0.4
5.38V
0.3
4.59V
0.2
3.84V
0.1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Tiempo de la rampa [s]
Figura 4.11 Rampas de Desaceleración
4.2 PRUEBAS DE RECONOCIMIENTO DE VOZ
Se realizó las pruebas de reconocimiento de voz con cinco palabras (Tabla 4.1).
MOVIMIENTO
PALABRA
SILLA
PARAR
PARADA
ADELANTE
ADELANTE
ATRAS
ATRÁS
DERECHA
DERECHA
IZQUIERDA
IZQUIERDA
Tabla 4.1 Palabras de Reconocimiento de voz
102
Cada palabra grabada se encuentra en el modo de longitud del circuito integrado HM2007
de 20 palabras de 1.92 seg. cada una.
Se pronunció cada palabra 100 veces en forma aleatoria (Tabla 4.2), donde se obtuvo un
error promedio del orden del 3.6 %.
Palabras
Número de
Identificación
Identificación
Error
Pronunciadas
veces
Correcta
Incorrecta
(%)
Adelante
100
96
4
4
Atrás
100
97
3
3
Izquierda
100
95
5
5
Derecha
100
96
4
4
Parar
100
98
2
2
Tabla 4.2 Prueba de Reconocimiento de Voz
El principal problema que se tuvo en el control por Voz fueron las equivocaciones a pesar
de que se pronuncian las palabras correctamente como fueron grabadas.
Este problema se corrigió grabando cada usuario sus respectivos comandos, y tratar lo más
posible de pronunciar en el tono grabado. Se debe tener además en cuenta que el micrófono
debe estar posicionado en la parte central de la boca del usuario.
En el software se implementó que si no reconoce ninguna de las palabras anteriormente
descritas el sistema se detenga para evitar falsas órdenes.
4.3 PRUEBAS EN LOS MOTORES
El sistema utiliza dos motores de excitación independiente de 12V y 10Amp, los cuales
mostraron problemas en la parte mecánica, dando como resultado velocidades de rotación
distintas. Al tener velocidades distintas, la silla de ruedas no se movía en línea recta y se
103
desviaba de su trayectoria, un problema que se hacia muy notorio a grandes distancias
recorridas.
Para corregir este problema se ajustaron las bandas de las ruedas de la silla y se ajustó uno
de los módulos PWMs para equilibrar la velocidad. Con estos ajustes se determinó que al
recorrer la silla de ruedas 10m se desvió 0.35m de su trayectoria lineal (Figura 4.12),
dándonos un ángulo de desviación de 2°.
0.35m
10m
Figura 4.12 Desviación de la silla de ruedas
Para los giros hacia la derecha e izquierda se realizó una rampa tipo “S” de menor amplitud
para ayudar al giro de la silla.
Para realizar el ajuste de velocidad se realizó pruebas con usuarios de diferentes Pesos.
4.4 RESULTADOS OBTENIDOS
Para realizar el puente H para la inversión de giro de los motores se utilizó relés para evitar
la caída de voltaje colector-emisor de saturación de 1 a 2V que se produce en los
semiconductores puesto que, al tener como alimentación una batería de 12V se reduce el
tiempo de autonomía del sistema.
Los resultados obtenidos (Tabla 4.3) de la variación de velocidad en función del peso de
los usuarios se presentan a continuación.
104
PESO DEL USUARIO
VELOCIDAD
VELOCIDAD
(Kg.)
(Km/h)
(m/s)
90
3.06
0.85
70
3.24
0.9
60
3.42
0.95
50
3.56
0.98
Tabla 4.3 Velocidades a diferentes pesos.
Se determinó que con la pendiente de duración de 1 segundo en el algoritmo de las rampas
de aceleración y desaceleración el funcionamiento de la silla es el más adecuado. Se pudo
probar que si la silla se encuentra en espacios reducidos y se asigna pendientes con tiempos
mayores a la generación de las rampas pueden ocurrir choques.
De las pruebas realizadas se determinó que con velocidad de 0.5m/s (1.8Km/h) es la
mínima velocidad con la que el usuario puede desplazarse de manera óptima y no le cause
molestias.
105
CAPÍTULO 5
ESTUDIO DE COSTOS
El objeto de este estudio es dar a conocer el costo total del sistema, para lo cual se presenta
un listado de los elementos y materiales utilizados incluyendo los precios de los mismos.
Con el costo total se puede hacer una comparación con equipos similares en el mercado.
5.1 COSTOS
En la Tabla 5.1 se muestra los elementos utilizados para la construcción de las fuentes de
alimentación.
CANTIDAD
DESCRIPCION
PRECIO $
1
Capacitor 3300 uF
1.0
1
Inductancia
1.25
2
Reguladores LM317
0.34
1
Regulador LM7805
0.17
4
Resistencias
0.08
4
Borneras
1.0
1
Fusible y porta fusible
0.7
1
Baquelita de fibra de vidrio
2.5
2
Capacitores 0,1uF y 1uF
0.4
3
Diodos rectificadores
0.3
TOTAL
7.74
Tabla 5.1 Fuentes de Alimentación
En la Tabla 5.2 se muestra todos los elementos que constituyen la tarjeta principal, en la
cual se genera todas las órdenes para el funcionamiento del sistema.
106
CANTIDAD
DESCRIPCION
PRECIO $
1
Teclado Matricial 4x4
5.5
1
LCD 2x16 con backlight
16.0
1
Microcontrolador PIC 16F877A
8.0
1
Oscilador 4 MHz
0.45
2
Capacitores 22 pF
0.4
1
Pulsador
0.2
5
Transistores 2N3904
0.75
4
Diodos rectificadores
0.4
8
Borneras
2.0
2
Led
0.2
1
Potenciómetro
0.3
1
Bocina
1.5
1
Selector de 3 posiciones
0.5
3
Conectores 4 pines
1.2
2
Conectores 8 pines
1.6
4
Opto transistores
3.2
27
Resistencias de 1/4 W
0.54
1
Joystick
15
1
Baquelita de fibra de vidrio 15x10
2.5
2
Fusible y porta fusible
1.4
2
Conectores DB 25
2.2
1
Zócalo 40 pines
1.5
TOTAL
65.34
Tabla 5.2 Tarjeta Electrónica de Control Principal
En la Tabla 5.3 se muestra todos los elementos que constituyen la tarjeta esclava que es la
interfaz entre el PIC master y la tarjeta de reconocimiento de voz.
107
CANTIDAD
DESCRIPCION
PRECIO $
1
Microcontrolador PIC 16F628A
5.5
1
Capacitores 0.1uF
0.2
7
Transistores 2N3904
1.05
4
Borneras
3
Led
0.3
1
Conectores 4 pines
0.4
1
Conectores 8 pines
0.8
2
Opto transistores
1.6
34
Resistencias de 1/4 W
0.68
1
Baquelita de fibra de vidrio 15x10
2.5
1
Fusible y porta fusible
0.7
1
Zócalo 18 pines
0.8
1
TOTAL
15.53
Tabla 5.3 Tarjeta Electrónica PIC Esclavo
En la Tabla 5.4 se muestra todos los elementos que constituyen la tarjeta de Potencia para
el control de los motores.
CANTIDAD
DESCRIPCION
PRECIO $
2
Transistores TIP 122
1.6
3
Borneras
0.75
1
Led
0.1
2
Opto transistores
1.6
9
Resistencias de 1/4 W
0.18
1
Baquelita de fibra de vidrio 15x10
2.5
1
Fusible y porta fusible
0.7
2
Resistencias de Potencia 20W
1.2
2
Disipadores
4
TOTAL
12.63
Tabla 5.4 Tarjeta Electrónica de Potencia
108
En la Tabla 5.5 se muestra todos los elementos que constituyen la tarjeta de detección de
Batería Baja y Batería Cargada.
CANTIDAD
DESCRIPCION
PRECIO $
2
LM324
2.0
4
Borneras
1.0
4
Led
0.4
2
LM317
0.34
16
Resistencias de 1/4 W
0.32
1
Baquelita de fibra de vidrio 15x10
2.5
2
Fusible y porta fusible
1.4
2
Diodos Rectificadores
0.2
4
Capacitores
0.8
TOTAL
8.96
Tabla 5.5 Tarjeta de Detección de Batería Baja y Batería Cargada
En la Tabla 5.6 se muestra todos los elementos que constituyen el cargador de Batería.
CANTIDAD
DESCRIPCION
PRECIO $
7
Diodos de Potencia 6A10
1.12
1
Borneras
0.25
1
Transformador 110V/12V
35.0
1
LM7812
0.25
1
Baquelita de fibra de vidrio 15x10
2.5
1
Resistencias de Potencia 20W
0.6
2
Capacitores 6800uF/50V
4.0
1
Capacitor 0.1uF
0.2
TOTAL
43.92
Tabla 5.6 Tarjeta Cargador de Batería
109
En la Tabla 5.7 siguiente se enumera los elementos constitutivos de la parte que controla
los motores.
CANTIDAD
DESCRIPCION
PRECIO $
5
Relés con bases
37.5
2
Transistores C3856
6.6
2
Diodos de Potencia
6.0
2
Fusibles Térmicos
6.0
2
Disipadores
12.2
TOTAL
68.3
Tabla 5.7 Elementos de Potencia
En la Tabla 5.8 se da a conocer todos elementos constitutivos de la tarjeta de
reconocimiento de voz.
CANTIDAD
DESCRIPCION
PRECIO $
1
Circuito Integrado HM2007
35
1
PCB
85
1
Memoria SRAM
25
1
Micrófono
30
1
Pila de Litio
3
Elementos electrónicos
20
TOTAL
198
Tabla 5.8 Tarjeta Electrónica de Reconocimiento de voz
A continuación (Tabla 5.9) se muestra los elementos adicionales usados en la construcción
de todos los circuitos impresos.
110
CANTIDAD
DESCRIPCION
PRECIO $
1
Batería 12Vdc
95
1
Caja Exterior
50
2
Relés con Base
14
2
Interruptor
2
Materiales varios: tornillos, cable
100
aislante, etc
TOTAL
261
Tabla 5.9 Accesorios Varios
En la Tabla 5.10 se da a conocer el costo total de todo el sistema físico eléctrico y
electrónico.
DESCRIPCION
PRECIO $
Fuentes de Alimentación
7.74
Tarjeta Electrónica de control Principal
65.34
Tarjeta Electrónica PIC Esclavo
15.53
Tarjeta Electrónica de Potencia.
12.63
Tarjeta de Detección de Batería Baja y
Batería Cargada
8.96
Tarjeta Cargador de Batería
43.92
Elementos de Potencia
68.30
Tarjeta Electrónica de reconocimiento de
voz
198
Accesorios Varios
261
TOTAL
681.42
Tabla 5.10 Costo Total Sistema Físico Eléctrico y Electrónico
En la Tabla 5.11 se da a conocer el costo total de todo el sistema.
111
DESCRIPCION
PRECIO $
Motores
300
Silla de Ruedas
850
Sistema Físico Eléctrico y Electrónico
Costos de Ingeniería
TOTAL
681.42
1500
3331.42
Tabla 5.11 Costo Total
Con los datos de la Tabla 5.11, queda demostrado que con Tecnología local si es posible
abaratar los costos. Por otro lado, el costo total es 3331.42 dólares americanos que puede
variar dependiendo de la disponibilidad de los elementos que constituyen el sistema. Sin
embargo, hay que aclarar que para este proyecto no se gastó lo correspondiente a la silla y
los motores, pues esta parte pertenece al Laboratorio de Instrumentación.
Consecuentemente el costo del proyecto en realidad es:
DESCRIPCION
PRECIO $
Sistema Físico Eléctrico y Electrónico
681.42
Costos de Ingeniería
1500.00
TOTAL
2181.42
Comercialmente en Internet
se encuentran sillas de ruedas electrónicas de distintos
fabricantes entre los que se puede citar: PERMOBIL, TUFFAARE, DELUXE, TRAC
ABOUT, los cuales poseen como control principal el mando por joystick. Ningún sistema
de los mencionados anteriormente posee el control por voz.
El precio de los sistemas de sillas de ruedas electrónicas oscilan entre 4000 y 8000 dólares
americanos, que en comparación al precio del sistema desarrollado es mucho mayor,
teniendo en cuenta que estos equipos hay que importarlos lo que implica costos
adicionales. No hay que olvidar que no se busca rentabilidad en estos sistemas, porque la
112
población con discapacidad no es muy alta, sino desarrollar experiencia nacional para dar
soluciones que posibiliten a personas de bajos recursos económicos tener acceso a este tipo
de herramientas que alivien sus dificultades.
113
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
De los resultados obtenidos de las pruebas se pueden extraer las conclusiones que se
indican a continuación. Igualmente, después de realizado el trabajo, de la experiencia
adquirida es posible emitir algunas recomendaciones.
6.1 CONCLUSIONES
•
El presente proyecto cuenta con un sistema de visualización y sonorización los
cuales indican la actividad que el usuario está realizando de lo que se puede
concluir que es un sistema muy fácil de usar.
•
Con el algoritmo de control realizado para la generación de la rampa de aceleración
y desaceleración tipo “S”, se pudo notar que el sistema no realizó arranques y
frenados bruscos, de lo que se puede concluir que se ha logrado diseñar un sistema
que elimina los arranques y frenados bruscos.
•
El control de velocidad fue diseñado con elementos fáciles de encontrar en el
mercado nacional Ecuatoriano; es decir, el prototipo puede ser construido en el
país. De esto se puede concluir que existe capacidad local para resolver este tipo de
problemas.
•
El sistema es capaz de moverse por un tiempo aproximado de 3 horas. De aquí se
puede concluir que el usuario si podrá realizar sus actividades cotidianas para
cumplir sus necesidades y requerimientos básicos de transporte.
•
El presente prototipo posee las mismas cualidades que los sistemas comerciales
existentes en el mercado local; es decir, aquellos que tienen control electrónico
manual por Joystick. Considerando que este trabajo añade el control por Voz y su
precio resulta ser muy económico.
114
•
De las pruebas realizadas se comprobó que con la pendiente de duración de 1
segundo en el algoritmo de las rampas de aceleración y desaceleración el
funcionamiento de la silla es el más adecuado, con lo que se puede concluir que con
esta pendiente el usuario no tendrá problemas para movilizarse en espacios
reducidos.
•
La pruebas realizadas permiten concluir que la velocidad de 0.5m/s (1.8Km/h) es la
mínima velocidad de crucero con la que el usuario puede desplazarse de manera
óptima y sin que le cause molestias.
•
Finalmente, evaluando todas las pruebas realizadas se concluye que este proyecto
“Diseño y construcción de un sistema basado en un microcontrolador para controlar
por voz y joystick el desplazamiento de una silla de ruedas”, cumple con los
objetivos planteados.
6.2 RECOMENDACIONES
•
Para la construcción de sistemas para personas discapacitadas se recomienda tener
muy en cuenta las normas que se deben cumplir, las cuales en nuestro país están
establecidas por el INEN.
•
Se recomienda que para el correcto funcionamiento del sistema en el modo
Semiautomático control por voz cada usuario grabe sus propios comandos de
control.
•
Para el circuito de potencia se recomienda que siempre se utilice disipadores de
calor para su correcto funcionamiento y prolongar la vida útil de cada uno de los
dispositivos.
115
•
Se recomienda en lo posible utilizar elementos semiconductores originales para
evitar errores que a veces no dependen del diseño realizado sino de la calidad de los
elementos utilizados.
•
Se recomienda utilizar motores de 24V para tener mayor rango de variación del
voltaje medio al momento de realizar la rampa tipo “S”. En el caso presente, se
utilizó motores de 12V debido a que estos vienen en la silla del laboratorio de
Instrumentación.
•
De las pruebas realizadas con el sistema de reconocimiento de voz HM2007 se
pudo comprobar que tiene un mejor funcionamiento cuando se encuentra en el
modo de 20 palabras de 1.92 seg. de longitud, por lo mismo se recomienda trabajar
en este modo para reducir al mínimo las equivocaciones.
•
Entre las limitaciones del sistema hay que mencionar al peso de todo el conjunto de
dispositivos y accesorios de la silla de ruedas. Lo ideal seria contar con una
estructura de bajo peso.
•
Se hizo un ajuste en los dos PWMs para variar el voltaje medio que llega hacia los
motores, hasta igualar el torque de los dos con lo que se consiguió que el sistema se
mueva en línea recta. Se recomienda que este proceso de calibración se haga a
medida que se desgasta mecánicamente la silla.
•
Se recomienda realizar inspecciones periódicas en todas las conexiones tanto
eléctricas como mecánicas para mantener en buen funcionamiento todo el sistema.
•
Como mejora para futuros proyectos se recomienda añadir un control para evadir
obstáculos y evitar choques, con lo cual el sistema podría ser utilizado por personas
con discapacidad visual.
116
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Jumbo A., Tamayo C., “Control electrónico de sillas de ruedas para personas
parapléjicas y cuadraplejicas,” EPN, 1995.
[2] Barcenes J., Vásquez D., “Prototipo de una silla de ruedas semiautónoma para
personas minusvalidas no videntes,” EPN, 2005.
[3] Gamboa S., Quelal P., “Diseño y construcción de un variador de velocidad con el
microcontrolador 80C196MC,” EPN, 2004.
[4] Instituto Ecuatoriano de Normalización, “NTE 2 246,” 2000.
[5] Consejo Nacional de Discapacidades, “Discapacidad en el Ecuador,” 2004,
http://www.conadis.gov.ec
[6] Microchip, “Datasheets PIC16F877A, PIC16F628A,” www.microchip.com
[7] Angulo J., Romero S., “Microcontroladores PIC Diseño práctico de aplicaciones,”
2000.
[8] Reyes C., “Aprenda rápidamente a programar microcontroladores PIC,” 2004.
[9] Images SI INC, “HM2007,” 2007, http://imagesco.com
117
[10] Anónimo sistemas de reconocimiento de voz, 2008
http://ict.udlap.mx/people/ingrid/Clases/IS412/index.html.
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lis/marquez_a_bm/capitulo
http://lilaproject.org/veu/personal/canton/IntrRecVoz.pdf.
118