CD-0298.pdf

1
ESCUELA POLITÉCNICA
NACIONAL
ESCUELA DE FORMACIÓN TECNOLÓGICA
CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO DE UN SISTEMA DE
ILUMINACION PARA LA PLATAFORMA DE UNA PISTA DE
BAILE CON SECUENCIA DE ENCENDIDO DE ACUERDO AL
RITMO DE LA MUSICA
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE TECNÓLOGO EN
ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
FARINANGO DEFAZ XIMENA PATRICIA
OLAYA SORIA JEANNETH ALEXANDRA
DIRECTOR: ING. ALCIVAR COSTALES
Quito, OCTUBRE 2006
2
DECLARACIÓN
Nosotras, Ximena Patricia Farinango Defaz y Jeanneth Alexandra Olaya Soria,
declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría;
que no ha sido previamente presentado 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.
_______________________________
Ximena Patricia Farinango Defaz
___________________________
Jeanneth Alexandra Olaya Soria
3
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Ximena Patricia Farinango
Defaz y Jeanneth Alexandra Olaya Soria, bajo mi supervisión.
________________________
Ing. Alcívar Costales
DIRECTOR DE PROYECTO
4
DEDICATORIA
El presente trabajo esta dedicado a:
DIOS por su infinita bondad, porque siempre fue
mi refugio cuando mi espíritu estuvo a punto de
sucumbir ,me brindo salud y la fuerza necesaria
para salir adelante.
A mis padres por su apoyo incondicional, por la
confianza que depositaron en mi y por el amor
que me dieron cuando lo necesite.
A mis hermanos, por los momentos que
compartieron a mi lado ,por las veces que me
apoyaron y me brindaron una palabra de aliento
que me obligaba a seguir luchando .
XIMENA FARINANGO
5
DEDICATORIA
El presente trabajo va dedicado a la
mujer que mas admiro, que me brindó
amor, dedicación, apoyo y confianza
la cual siempre tuvo una palabra de
aliento para mi. Mi madre Luz Maria
gracias por ser todo en mi vida.
A mis hermanos Jessica y Alejandro por estar
conmigo en los momentos cuando los
necesitaba y supieron brindarme la alegría
de compartir su vida con la mía.
A Dios y la Virgen quienes siempre guían mis
pasos abriéndome las puertas en cada
actividad que realizo dándome su bendición.
JEANNETH OLAYA
6
AGRADECIMIENTO
Un Agradecimiento a nuestro profesor director de tesis Ing. Alcívar Costales
quien siempre nos colaboro satisfactoriamente nuestro proyecto.
XIMENA Y JEANNETH
También a todas las personas que nos brindaron su vital apoyo, a nuestros
amigos por su voluntad y compañerismo.
Un agradecimiento a la familia por el apoyo confianza y paciencia durante la
trayectoria estudiantil, quienes nos han sabido guiar y ayudar durante toda
nuestra vida para culminar con éxito nuestras metas.
7
RESUMEN
El presente trabajo tiene por objeto diseñar el control de un sistema de
iluminación que mediante un microcontrolador identifique la frecuencia de los
tonos musicales. Y a su salida mostrar en las luminarias instaladas en el piso
un conjunto de figuras que vayan en concordancia al ritmo de la música.
Para entender el funcionamiento de este circuito se estudia de manera amplia
el funcionamiento de algunos elementos importantes tales como el diodo,
transistor, el LM567 ,el microcontrolador y el circuito de potencia.
La elaboración de este proyecto servirá de orientación para estudiantes de
áreas técnicas, con el cual se podrá conocer sobre la aplicación de un
microcontrolador para el control de un sistema de iluminación incentivando a
los estudiantes a realizar nuevos proyectos en este campo con nuevas ideas
que solucionen problemas.
De manera práctica este circuito se puede colocar en cualquier tipo de bar o
discoteca para innovar los establecimientos.
8
CONTENIDO
RESUMEN
INTRODUCCION
1. CAPÍTULO I: Fundamentos Teóricos de los dispositivos que se usan
en
Sistemas de Iluminación
1.1.
Estudio de los sistemas de iluminación utilizados en bares y
discotecas .................................................................................................... 1
1.1.1.
Vértigo ............................................................................................... 1
1.1.2.
Columna Psicodélica de luz............................................................... 2
1.1.3.
Flash Estroboscópico ........................................................................ 2
1.1.4.
Kinta .................................................................................................. 3
1.1.5.
Spot 250 ........................................................................................................3
1.2.
Descripción general de un sistema de control de iluminación...................... 4
1.2.1.
Etapa de entrada ............................................................................... 5
1.2.1.1.
Señal de Audio............................................................................. 5
1.2.1.2.
Movimiento................................................................................... 5
1.2.2.
Etapa de control ................................................................................ 6
1.2.2.1.
Microcontrolador .......................................................................... 6
1.2.2.2.
Microcontroladores PIC................................................................ 7
1.2.3.
1.2.2.2.1.
Gama baja o básica PIC 12C5xx y PIC 16C5x ................. 9
1.2.2.2.2.
Gama media PIC 12C6xx, PIC 16Cxx............................... 9
1.2.2.2.3.
Gama alta PIC 17Cxxx ................................................... 10
1.2.2.2.4.
Gama mejorada PIC 18Cxxx ........................................... 10
Etapa de potencia............................................................................ 11
1.2.3.1.
Luminarias.................................................................................. 11
1.2.3.1.1.
Partes de una lámpara incandescente ............................ 11
1.2.3.1.2.
Características de duración............................................. 12
1.2.3.2.
Consideraciones de Corriente y voltaje de las luminarias .......... 13
1.2.3.2.1.
Transistores de alta potencia .......................................... 13
1.2.3.2.2.
Resistencias .................................................................... 13
1.2.3.2.3.
Pulsadores ...................................................................... 14
9
2. CAPITULO II: Estudio e Implementación del hardware y software del
sistema.
2.1.
Implementación del Hardware.................................................................... 15
2.1.1.
Etapa de entrada de la señal........................................................... 15
2.1.1.1.
Micrófono ................................................................................... 15
2.1.1.2.
Acondicionamiento..................................................................... 16
2.1.2.
Detector de Tonos ........................................................................... 18
2.1.3.
Etapa de potencia............................................................................ 22
2.1.3.1.
Selección y conexión de luminarias ........................................... 22
2.1.3.1.1.
Selección......................................................................... 22
2.1.3.1.2.
Conexiones ..................................................................... 23
2.1.4.
Etapa de control ............................................................................. 30
2.1.4.1.
Descripción de Pines ................................................................. 31
2.1.4.1.1.
Organización de la memoria de programa del Pic
16F877A ................................................................................... 34
2.1.4.1.2.
Organiza de la memoria de datos RAM........................... 34
2.1.4.1.3.
Diferencia entre subrutina e introducción ........................ 35
2.1.4.2.
Desarrollo del Software del sistema........................................... 36
3. CAPITULO III: Pruebas y Resultados
3.1.
Pruebas al Detector de Tonos.................................................................... 46
3.2.
Pruebas a la etapa de potencia.................................................................. 46
3.3.
Pruebas del funcionamiento Total del Sistema .......................................... 46
CONCLUSIONES ...................................................................................................... 53
RECOMENDACIONES .............................................................................................. 56
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
10
1
CAPÍTULO 1
1.1 ESTUDIO DE LOS SISTEMAS DE ILUMINACIÓN
UTILIZADOS EN BARES Y DISCOTECAS.
Con el propósito de enfocar mejor este proyecto se hizo un análisis previo
de los sistemas de iluminación utilizados en la actualidad.
Los bares y discotecas cuentan con luces inteligentes robotizadas, rítmicas,
programadas, de varios colores y figuras. A continuación se describe algunas
de ellas:
1.1.1
VÉRTIGO
Este tipo de luminaria es ideal para aplicaciones móviles, produce 30 efectos
de luces multicolores que rotan cruzándose entre sí al ritmo de la música.
Posee un circuito de control Electroboscópico que crea magníficos efectos
especiales para discotecas como se puede observar en la Fig. 1.1
a)
b)
Fig. 1.1 a) Luminaria para discoteca “Vertigo”, b) Control Electroboscopico
1.1.2
COLUMNA PSICODÉLICA DE LUZ
Compuesta por un Control Psicodélico y 3 focos de luz modular, con el
11
Control Psicodélico se modifica la intensidad y frecuencia de las luces. En la
Fig. 1.2 se observa la fotografía de la luminaria.
Fig. 1.2 Columna psicodélica de luz
1.1.3
FLASH ESTROBOSCÓPICO
Regula la frecuencia del flash de 1 a 10 encendidos por segundo. Con
soporte de montaje y sistema individual con módulo acoplable ( Fig1.3).
Fig. 1.3. Fotografía de un Flash Estroboscópico
1.1.4
KINTA
Rota al ritmo de la música y proyecta luces de diversos colores y se puede
visualizar las figuras en el piso. (Fig. 1.4)
12
Fig. 1.4 Fotografía del efecto de la luz para discoteca KINTA
Existen muchas variedades, con diferentes tipos de figuras que se
determinan por el tipo de cristal que se coloque.
1.1.5
SPOT 250
Es una luz inteligente donde sus espejos tienen movimiento en dos ejes X/Y
poseen 7 colores, con sus diferentes diseños para formar una figura. Puede
ser operado individualmente con el micrófono que tiene internamente o
sincronizado a través del mezclador. Crea un buen efecto visual tal como se
puede observar en la Fig. 1.5.
Fig. 1.5 Fotografía de la Luz para discoteca SPOT 250
13
En general los establecimientos utilizan luces multicolores que rotan o están
empotradas en el piso, también se utilizan focos pintados o dicroicos todo
esto con una adecuada ventilación.
Además se debe indicar que las condiciones actuales de funcionamiento de
las diferentes pistas de baile existentes en los bares y discotecas de nuestra
ciudad son:
Las etapas de iluminación y audio están completamente separadas.
En el sistema de audio la música es mezclada en el computador con el
software adecuado, la señal de audio sale del computador a la consola para
ser acondicionada, luego al ecualizador, posteriormente se amplifica la señal
y sale a los diferentes parlantes.
DESCRIPCIÓN GENERAL DE UN SISTEMA DE CONTROL
1.2
DE ILUMINACIÓN.
La aplicación de los microcontroladores en la actualidad ha permitido
desarrollar nuevas técnicas en los sistemas de iluminación, permitiendo que
mediante sensores o equipos externos, las luminarias se enciendan de acuerdo
a una programación previa o según parámetros de alguna señal exterior como
la música y movimientos.
l
En general los componentes básicos de un sistema de control para iluminación
son los siguientes:
Etapa de entrada
Etapa de control
Etapa de potencia
1.2.1
ETAPA DE ENTRADA
14
En esta etapa se analiza lo que se tiene en el medio donde se va a trabajar y
en el parámetro con el que se desea que las luminarias se enciendan, se
puede considerar dos casos:
1.2.1.1
Señal de Audio
Como el audio es una señal electrónica que es una representación eléctrica
exacta de una señal sonora que normalmente está limitada al rango de
frecuencias audibles por los seres humanos que está entre los 20 y los 20.000
hercios (Hz), aproximadamente, puede ser utilizada como un parámetro para
controlar el encendido de las luminarias.
En el caso de utilizar el sonido como parámetro se requiere un transductor de
presión que convierte las ondas de presión de aire (ondas sonoras) en señales
eléctricas (señales analógicas) como puede ser un micrófono.
1.2.1.2
Movimiento
Tomando en cuenta que en las discotecas hay gran cantidad de movimiento,
este se podría considerar como un parámetro para que la iluminación se
encienda de acuerdo a los movimientos de las personas, en este caso se
necesita detectores o sensores de presencia.
En esta etapa la señal debe pasar por una fase de acondicionamiento que
consiste en un circuito que acople las características de las señales adquiridas
a las necesarias para que funcionen en óptimas condiciones en las etapas
posteriores.
1.2.2
ETAPA DE CONTROL
Esta etapa une la etapa de entrada con la etapa de potencia, es el núcleo del
sistema y está a cargo de un microcontrolador, el cual tras la identificación de
las señales, almacena en una memoria RAM para posteriormente enviar la
información a sus puertos de salida.
15
1.2.2.1
Microcontrolador
Es un circuito integrado programable capaz de ejecutar las órdenes grabadas
en su memoria, se emplea para controlar el funcionamiento de una única tarea
y gracias a su reducido tamaño suele incorporarse en el propio dispositivo que
controla.
Fig. 1.7 Fotografía de un microcontrolador
Las partes principales de un microcontrolador son:
•
Procesador
•
Memoria de programa: es una memoria de almacenamiento no volátil
(ROM, EPROM, OTP, EEPROM, FLASH), en la que se almacena el
programa.
•
Memoria de datos: es una memoria de lectura y escritura para guardar
los datos, en general se usa memoria SRAM, aunque algunos micros
llevan memoria EEPROM para evitar la pérdida de los datos en caso de
corte en el suministro de corriente.
Líneas de entrada/salida (I/O) también llamados puertos se conectan
con sensores y actuadores al dispositivo físico que controlan.
Según las aplicaciones a las que orienta el fabricante cada modelo de
microcontrolador, incorpora una diversidad de recursos auxiliares los más
comunes son:
Circuito de reloj
Temporizadores
Perro Guardián “watchdog”
Conversores AD y DA
Comparadores Analógicos
Protección ante fallos de la alimentación
16
Estado de reposo o de bajo consumo
Las ventajas de los microcontroladores son:
Aumento de servicios y utilidades para el usuario.
Aumento de la fiabilidad.
Reducción de tamaño en el producto acabado.
Mayor flexibilidad.
1.2.2.2
Microcontroladores PIC
Un PIC (Peripheral interface Controller) es un microcontrolador basado en
memoria EPROM/FLASH desarrollado por la empresa Microchip Technology.
Las características más representativas de los PIC son:
1. La arquitectura del procesador sigue el modelo Harvard.
La arquitectura Harvard separa la memoria de programa de la memoria de
datos, esto hace que el dispositivo tenga un bus de datos y un bus de
memoria
de
programa,
hecho
que
permite
acceder
a
ambos
simultáneamente como se puede observar en la Fig.1.8
BUS DE DIRECCIÓN
DE INSTRUCCIONES
BUS DIRECCION
DE DATOS
10
9
MEMORIA DE
INSTRUCCIONES
UCP
8
14
BUS DE
INSTRUCCIONES
MEMORIA DE
DATOS
BUS DE DATOS
Fig. 1.8 Diagrama de la Arquitectura Harvard
2. Se aplica la técnica de segmentación (“pipe-line”) en la ejecución de las
instrucciones.
La segmentación permite al procesador realizar al mismo tiempo la
ejecución de una instrucción y la búsqueda del código de la siguiente. De
esta forma se puede ejecutar cada instrucción en un ciclo (un ciclo de
instrucción equivale a cuatro ciclos de reloj).
17
3. El formato de todas las instrucciones tiene la misma longitud
Todas las instrucciones de los microcontroladores de la gama baja tienen
una longitud de 12 bits. Las de la gama media tienen 14 bits y más las de la
gama alta. Esta característica es muy ventajosa en la optimización de la
memoria de instrucciones y facilita enormemente la construcción de
ensambladores y compiladores.
4. Procesador RISC (Computador de Juego de Instrucciones Reducido)
Los modelos de la gama baja disponen de un repertorio de 33 instrucciones,
35 los de la gama media y casi 60 los de la alta.
5. Todas las instrucciones son ortogonales
Cualquier instrucción puede manejar cualquier elemento de la arquitectura
como fuente o como destino.
6. Arquitectura basada en un banco de registros.
Esto significa que todos los objetos del sistema (puertos de E/S,
temporizadores, posiciones de memoria, etc.) están implementados
físicamente como registros.
7. Diversidad de modelos de microcontroladores PIC con prestaciones y
recursos diferentes.
La gran variedad de modelos de microcontroladores PIC permite que el
usuario pueda seleccionar el más conveniente para su proyecto.
8. Herramientas de soporte potentes y económicas
La empresa Microchip y otras que utilizan los PIC ponen a disposición de
los usuarios numerosas herramientas para desarrollar hardware y software.
Son muy abundantes los programadores, los simuladores software, los
emuladores en tiempo real, ensambladores, Compiladores C, Intérpretes y
Compiladores BASIC, etc.
Microchip dispone de tres gamas de microcontroladores PIC para adaptarse a
las distintas necesidades de la mayoría de los clientes potenciales.
18
1.2.2.2.1
Gama Baja o básica: PIC12C5xx y PIC16C5x
Son pic de recursos limitados, en esta gama existen nueve modelos
fundamentales. Sus versiones están encapsuladas con 18 y 28 pines y pueden
alimentarse a partir de una tensión de 2.5 V, lo que les hace ideales en las
aplicaciones que funcionan con pilas. Con un repertorio de 33 instrucciones de
12 bits, 2 niveles de acumulador, sin interrupciones. En algunos casos la
memoria es del tipo ROM, definida en fábrica.
1.2.2.2.2
Gama media: PIC12C6xx, PIC16Cxx y PIC16F87x
Es la gama más variada y completa de los PIC, abarca modelos con
encapsulado desde 18 hasta 68 pines. Admiten interrupciones, poseen
comparadores de magnitudes analógicas, convertidores A/D, puertos serie y
diversos temporizadores. Tiene un repertorio de 35 instrucciones de 14 bits
cada una, posee una pila de 8 niveles que permite el anidamiento de
subrutinas. Dentro de esta gama se encuentra el PIC16C84 que posee
memoria EEPROM.
1.2.2.2.3
Gama alta: PIC 17Cxxx
Poseen 58 instrucciones de 16 bit, una pila de 16 niveles. Disponen de
variados controladores de periféricos, puertas de comunicaciones serie y
paralelo con elementos externos y un multiplicador hardware de gran velocidad.
Tiene una arquitectura abierta que consiste en la posibilidad de ampliación del
microcontrolador con elementos externos.
1.2.2.2.4
Gama mejorada: PIC 18Cxxx
Disponen de un repertorio de 77 instrucciones de 16 bit, una pila de 32 niveles
y cuatro vectores de interrupción. Destacan por su alta velocidad 40MHz y su
gran rendimiento.
PIC 18Cxxx
32 niveles de pila
4 vectores de interrupción
77 instrucciones de 16 bits
GAMA MEJORADA
PIC17Cxxx
58 instrucciones de 16 bits
16 niveles de pila
4 vectores de interrupción
PIC 12C6xx, PIC16Cxx y PIC16F87x
GAMA ALTA
19
Fig. 1.9 Presentación gráfica de las cuatro gamas de PIC
Adicionalmente existen otras familias derivadas, como los PIC16Fxx que
emplean memoria del tipo FLASH.
Razones por las cuales usar un PIC:
Su costo es comparativamente inferior a los competidores
Poseen una elevada velocidad de funcionamiento.
Tienen un juego reducido de instrucciones.
Sencillez de manejo y disponibilidad inmediata.
Bajo consumo unido a un amplio rango de voltajes de alimentación.
El software se puede obtener libremente a través del Internet desde la
página http://www.microchip.com.
Existe una gran variedad de herramientas hardware que permiten grabar,
depurar, borrar y comprobar el comportamiento de los PIC.
1.2.3
ETAPA DE POTENCIA
Esta etapa es la encargada de dejar pasar la corriente eléctrica procedente de
la fuente de alimentación, en función de la tensión que recibe de la etapa
anterior (etapa de control). Maneja tensiones y corrientes muy elevadas y es la
que más recursos energéticos demanda de la fuente de alimentación, es decir
la etapa que más consume.
Se debe tomar en cuenta inicialmente que tipo de luminarias son apropiadas
para este tipo de aplicaciones y para esto se requiere conocer el consumo de
corriente y voltaje de cada luminaria.
20
1.2.3.1
Luminarias
Las luminarias se deben seleccionar de acuerdo a los siguientes parámetros:
Que no consuma demasiada corriente
Que la luz se distribuya uniformemente
Que su tamaño no sea muy grande
Que tenga buen nivel de brillo
1.2.3.1.1
Partes de una lámpara incandescente
Las lámparas incandescentes están formadas por un hilo de wolframio que se
calienta por efecto Joule alcanzando temperaturas tan elevadas que empieza a
emitir luz visible. Para evitar que el filamento se queme en contacto con el aire,
se rodea con una ampolla de vidrio a la que se le ha hecho el vacío o se ha
rellenado con un gas. El conjunto se completa con unos elementos con
funciones de soporte y conducción de la corriente eléctrica y un casquillo
normalizado que sirve para conectar la lámpara a la luminaria.
Entre los parámetros que sirven para definir una lámpara tenemos las
características fotométricas: la intensidad luminosa, el flujo luminoso y el
rendimiento o eficiencia. Además de estas, existen otros que nos informan
sobre la calidad de la reproducción de los colores y los parámetros de duración
de las lámparas.
Existen dos tipos de lámparas incandescentes: las que contienen un gas
halógeno en su interior y las que no lo contienen
1.2.3.1.2
Características de duración
La duración de una lámpara viene determinada básicamente por la temperatura
de trabajo del filamento.
Para determinar la vida de una lámpara disponemos de diferentes parámetros
según las condiciones de uso definidas.
La vida individual es el tiempo transcurrido en horas hasta que una lámpara
se estropea, trabajando en unas condiciones determinadas.
21
La vida promedio es el tiempo transcurrido hasta que se produce el fallo de la
mitad de las lámparas de un lote representativo de una instalación, trabajando
en unas condiciones determinadas.
La vida útil es el tiempo estimado en horas tras el cual es preferible sustituir un
conjunto de lámparas de una instalación a mantenerlas. Esto se hace por
motivos económicos y para evitar una disminución excesiva en los niveles de
iluminación en la instalación debido a la depreciación que sufre el flujo
luminoso con el tiempo. Este valor sirve para establecer los periodos de
reposición de las lámparas de una instalación.
La vida media es el tiempo medio que resulta tras el análisis y ensayo de un
lote de lámparas trabajando en unas condiciones determinadas.
La duración de las lámparas incandescentes está normalizada; siendo de unas
1000 horas para las normales, para las halógenas es de 2000 horas para
aplicaciones generales y de 4000 horas para las especiales.
Las luminarias se van a ordenar en 9 filas y nueve columnas por lo que se debe
tomar en cuenta la corriente que va a circular en cada una de las filas y las
columnas.
Para limitar la corriente y proteger a las luminarias se han utilizado las
respectivas resistencias y para accionar cada columna se utiliza transistores de
alta potencia.
1.2.3.2
Consideraciones de Corriente y Voltaje de las luminarias
1.2.3.2.1
Transistores de Alta potencia:
El funcionamiento y utilización de los transistores de potencia es idéntico al de
los transistores normales, teniendo como características especiales las altas
tensiones e intensidades que tienen que soportar y, por tanto, las altas
potencias a disipar.
El transistor puede emplearse como interruptor y como amplificador. El
transistor como interruptor funciona: como interruptor cerrado cuando le
22
aplicamos una corriente a la base y como interruptor abierto cuando no le
aplicamos corriente a esta.
1.2.3.2.2
Resistencias
Las resistencias son componentes eléctricos pasivos en los que la tensión
instantánea aplicada es proporcional a la intensidad de corriente que circula por
ellos. Su unidad de medida es el ohmio (Ω). Existen de distintas potencias
según la aplicación para la que se requiera.
1.2.3.2.3
Pulsadores
Un pulsador es un elemento que permite el paso o interrupción de la corriente
mientras es accionado.
Puede ser el contacto normalmente cerrado en reposo NC, o con el contacto
normalmente abierto Na.
23
2
CAPÍTULO 2
ESTUDIO E IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE Y SOFTWARE DEL
SISTEMA
2.1
IMPLEMENTACIÓN DEL HARDWARE
El prototipo del sistema de iluminación a implementar consta de las siguientes
etapas:
Señal
Audio
Etapa de Entrada
Detector
de
Tonos
Etapa
de
Potencia
Etapa de
Control
Fig. 2.1 Diagrama de bloques del sistema de iluminación
2.1.1
ETAPA DE ENTRADA DE LA SEÑAL
En esta etapa se realiza la adquisición de la señal de audio del medio exterior
para acondicionarla y
establecer los parámetros que se utilizarán en las
siguientes etapas, en la Fig. 2.2 se observa un diagrama de los bloques a
seguir para que la señal adquirida obtenga los parámetros de corriente y voltaje
adecuados para ingresar al detector de tonos.
Señal de
Audio
Micrófono
Acondicionamiento
Detector de Tonos
Fig. 2.2 Diagrama de bloques de la etapa de entrada de la señal de audio
2.1.1.1
Micrófono
Un micrófono es un transductor encargado de transformar la energía acústica
en
energía
eléctrica,
permitiendo
así
el
registro,
almacenamiento,
24
procesamiento y transmisión de las señales de audio. Un solo micrófono puede
captar adecuadamente todo el rango audible de frecuencias.
El micrófono seleccionado para el proyecto es un tipo electret, porque tiene
como característica la capacidad de mantener carga sin necesidad de una
fuente de polarización sin embargo tiene la desventaja
de utilizar un
preamplificador.
Además que es de un tamaño muy pequeño y permite desarrollar técnicas de
captación más cercana a la fuente. Como el diafragma pesa menos la
respuesta en frecuencia del micrófono electret abarca desde 50 a 15000Hz,
está más cerca de la respuesta que proporciona un micrófono de bobina móvil,
que de la que ofrece un micrófono de condensador convencional y la
impedancia es relativamente baja del orden de los 1500Ω a 1000Hz.
La tecnología necesaria para producirlos es relativamente accesible, y su
calidad en general es buena, por lo que se usan generalmente en cualquier
aplicación, incluyendo su uso en estudios de grabación.
2.1.1.2
Acondicionamiento
El acondicionamiento consiste en un circuito que acople las características de
la señal de audio a las necesarias para que el detector de tonos funciones en
óptimas condiciones, esta etapa pre- amplifica y filtra la señal.
El objetivo del pre-amplificador es transformar la alta impedancia de salida del
micrófono en baja impedancia requerida en la entrada de la siguiente etapa.
Para conseguir la mayor precisión posible la señal de entrada debe ser
amplificada de modo que su máximo nivel coincida con la máxima tensión que
la siguiente etapa requiera.
25
Fig. 2.3: Diagrama del acondicionamiento de la señal
La señal de audio es captada por el micrófono tipo electret que es alimentado a
través de la resistencia de 10k, El condensador de 0.1 uF no deja pasar la CC
permitiendo a la AC ,es decir al audio, ingresar al transistor por su base para
que sea amplificado.
Las resistencias de 10K y la de 100K permiten la polarización del transistor.
El condensador de salida bloquea la componente DC dejando ir hacia la
siguiente etapa sólo la señal de audio.
Una vez amplificada la señal se pasa por una etapa de filtrado cuyo propósito
es eliminar las señales no deseadas con el objetivo de hacerla inmune al ruido
que se pueda presentar fuera del ancho de banda de interés.
El filtro se encuentra construido en base a un amplificador operacional de bajo
ruido LF356, el cual trabaja como un filtro activo inversor. Con los valores de
R25, R24, C31 y C30 el filtro deja pasar las frecuencias entre 260Hz y 500Hz.
26
2.1.2
DETECTOR DE TONOS
Un detector de tonos es un sistema que identifica la frecuencia de los sonidos
que recibe, distingue entre un sonido agudo o alto de otro grave o bajo, es decir
es un circuito que responde cambiando de estado solamente si en su entrada
detecta la presencia del tono para el cual fue diseñado.
La música es un conjunto de notas musicales, por esta razón se decidió
diseñar el detector de tonos de acuerdo a la escala fundamental de las notas
musicales.
Cada una de las notas equivale a una frecuencia determinada, en orden de
grave a aguda como se muestra en la tabla 2.1
Nota
Frecuencia
Hz
Do
261
Re
293
Mi
329
Fa
349
Sol
392
La
440
Si
493
Tabla 2.1: Cuadro de frecuencia de las notas musicales
En el mercado se cuenta con un Circuito Integrado que actúa como detector de
tonos el LM567 en la fig. 2.4 tenemos la distribución de pines de este integrado.
27
Fig. 2.4 Distribución de pines del LM567
El LM567 posee internamente un detector de fase en cuadratura y un VCO, el
cual determina la frecuencia central del decodificador, los componentes
externos son usados para centrar la frecuencia, el ancho de banda y el retardo
de salida. Este circuito es inmune a señales falsas, el centro de frecuencia es
altamente estable y ajustable de 0.01Hz a 500KHz.
Este circuito responde con un nivel lógico bajo es decir cuando la señal de
entrada al integrado coincide con la frecuencia central (frecuencia determinada
por el VCO) que activa dicho elemento la salida (pin 8 ) es 0 V.
La conexión del LM567 para que opere como detector de tonos se observa en
la siguiente figura:
Fig. 2.5 Conexión del LM567 como detector de tonos.
28
Cuando en el pin 3 se introduce una señal con una frecuencia f, el detector de
fase compara esta frecuencia con fo, que viene determinada por la resistencia y
el condensador que van conectados en el pin 5 y 6, la fórmula para calcular la
fo es:
fo =
1
1.1R1C1
Dicha frecuencia fo tiene un ancho de banda que viene determinado por el
condensado que va conectado al pin 2.
Bw = 1070
Vi
f o C2
in % de fo
El caso es que si f está dentro del margen de fo, el pin 8 se pone a un nivel
bajo.
El cálculo para cada una de las frecuencias se presenta en el siguiente cuadro:
Si C1 = 0.1uF
f (Hz)
R1 (Ω)
261
105548,695
293
94021,1924
329
83733,1592
349
78934,6973
392
70276,0443
440
62609,5667
493
55878,7208
Tabla. 2.2: Cuadro del cálculo de frecuencias
29
En el ANEXO A se presenta las hojas de especificaciones de este circuito
integrado.
A continuación se presenta el diagrama circuital de uno de los detectores de
tonos:
Fig. 2.6: Diagrama Circuital del detector de Tonos
2.1.3
ETAPA DE POTENCIA
Antes de utilizar un microcontrolador se debe primero construir las etapas de
entrada y potencia para analizar las características eléctricas de
corriente, líneas de entrada/salida necesarios, memoria, etc.
voltaje y
Tomando en
cuenta estos antecedentes primero trataremos la etapa de potencia.
La etapa de potencia muestra la forma adecuada en que se conecta las
luminarias, sin dejar de lado la protección necesaria.
2.1.3.1
Selección y Conexión de Luminarias
2.1.3.1.1
Selección
30
El objetivo de este proyecto es
mostrar figuras de acuerdo al ritmo de la
música, con la finalidad de facilitar la formación y visualización de las figuras
que se desea presentar se decidió utilizar 81 focos porque al realizar las
pruebas presentaron un favorable resultado.
Para seleccionar las luminarias se tomo en cuenta los siguientes parámetros:
Que no consuma demasiada corriente
Que la luz se distribuya uniformemente
Que su tamaño no sea muy grande
Que tenga buen nivel de brillo
Que no se recaliente demasiado.
Para el diseño se requiere principalmente conocer el consumo de corriente y
voltaje de cada foco ya que al ser 81 focos se debe tener cuidado con la
corriente que se maneje, porque si es muy elevada no se encuentra con
facilidad fuentes de alimentación que cumplan estos parámetros o son
costosas en el mercado.
En la elección de las luminarias se tuvo algunos problemas, puesto que se
requería un buen nivel de brillo con bajo consumo de corriente, lo aconsejable
era poner diodos Led, porque su tiempo de vida útil es mayor y su consumo de
corriente es 25 mA, pero a pesar que se colocó una matriz de leds en cada
cavidad de la pista no se obtuvo el resultado deseado en cuanto al nivel de
brillo ya que un led no distribuye la luz omnidireccionalmente.
Se utilizó
focos de linterna de 2.5v y 0.5A ya que al realizar las pruebas
proporcionaron buena intensidad de brillo, razonable consumo de corriente y
distribución uniforme de luz. En la fig. 2.7 se muestra el foco seleccionado.
31
Fig. 2.7: Fotografía del foco seleccionado
2.1.3.1.2
Conexiones
Al referirse a la conexión de las luminarias hay que tratar dos aspectos: El
primero describe la forma en como se distribuyen los focos y el segundo la
manera como se realiza las conexiones para controlar el encendido y apagado
de las luminarias.
En cuanto a la forma en como se distribuyen los focos se decidió construir una
matriz de 9 columnas por 9 filas formando así un total de 81 focos como se
puede observar en la Fig. 2.8.
Figura 2.8: Foto de la distribución de los focos
32
En cuanto a la forma en como se realizó las conexiones se efectuó algunas
pruebas:
En primera instancia se realizó las conexiones agrupando en filas y columnas
de 9 por 9 esta opción no resultó por la dificultad de manejar la corriente de
cada fila, ya que para cada fila se requiere un transistor que soporte 4.5 A y no
se encontró un transistor que maneje esa corriente. Además con esta conexión
los focos presentaban baja intensidad de brillo casi no iluminaban
y si se
aumentaba la corriente para mejorar el brillo del foco se corría el riesgo de
quemarlo.
Entonces se optó por el manejo independiente de los focos por lo que se utilizó
un transistor para cada foco, al realizar las pruebas esta conexión eliminó el
problema de la corriente y la baja intensidad de brillo del foco por lo que se
eligió como la mejor opción.
Teniendo en cuenta que son 81 focos se necesitaría 81 puertos de salida en el
microcontrolador, por lo que se utilizó el circuito integrado CD4094B, el cual es
un registro de corrimiento que se utiliza para convertir los datos de serie a
paralelo con el objetivo de expandir las salidas de un microcontrolador.
Este circuito integrado recibe en uno de sus pines de entrada la información y
las distribuye en sus 8 pines de salida, con esto se requiere 10 circuitos
integrados CD4094B para controlar los 80 focos y se manejará el foco 81
directamente desde el microcontrolador.
En la Fig. 2.9 se observa la distribución de pines del circuito integrado.
33
Fig. 2.9 Distribución de pines del CD4094B
Las principales características son:
•
3 salidas paralelas conectadas a un bus común.
•
Velocidad de operación media 5MHz a10v.
•
Corriente de entrada máxima de 1uA a 18v.
•
16 pines
Este circuito integrado recibe 4 señales del microcontrolador que son: Data,
Strobe, clock y enable.
DATA: Recibe los datos del microcontrolador.
STROBE y ENABLE: Permite pasar los datos a sus respectivos pines de
salida si está en estado alto.
CLOCK: Es la entrada de la señal de reloj para sincronización.
Los pines de salida están conectados a la base de los transistores controlando
su estado de corte y saturación según las instrucciones que reciba del
microcontrolador en sus pines de entrada.
conexión de estos circuitos.
En la Fig. 2.10 se muestra la
34
ç
Fig. 2.10 Conexión en cascada del circuito integrado CD4094B
En el ANEXO B muestra las hojas de especificaciones del CD4094B.
Cada pin del CB4094 va a la base del transistor ECG 293, en la Fig. 2.11 se
observa el gráfico del transistor:
Fig. 2.11: Distribución de pines del transistor
Las principales características del transistor son:
Description = Si NPN LP HF BJT
V(BR)CEO (V) = 50
V(BR)CBO (V) = 60
35
I(C) Abs.(A) Collector Current = 1
Absolute Max. Power Diss. (W) = 750m
h(FE) Min. Static Current Gain = 120
f(T) Min. (Hz) Transition Freq = 200MHz
Para que el transistor trabaje con los parámetros convenientes para el corte y
saturación, se colocó en la base una resistencia cuyo valor se calcula a
continuación:
RF
IC
β +1
IB ≥
IB ≥
0 .5
120
I B ≥ 4.16mA
RB
RB ≤
IB
5 − 0 .7
4.16mA
RB ≤ 1032 Ω
Según los cálculos se debe poner una resistencia menor a 1032 Ω, pero al
realizar las pruebas la resistencia que mejor resultado proporcionó en la
saturación y corte del transistor fue de valor 120 Ω.
Las luminarias están conectadas en el colector del transistor con un voltaje de
alimentación de 5v, como se utiliza focos de 2.5 V y 0.3 A se debe calcular la
resistencia para que exactamente la caída de tensión en el foco sea de 2.5v, y
el foco esté protegido. Los cálculos de la resistencia se presentan a
continuación:
R=
Ic
R=
VCC − V foco − VCE
IC
5 − 2 .5 − 0 .2
0 .5
R = 4.6 Ω
36
La resistencia normalizada es de 6.8 Ω, luego se realiza los cálculos de la
potencia de la resistencia.
P = I 2R
P = 0.32 × 6.8
P = 0.61W
La resistencia adecuada es de 6.8 Ω de 1W, pero con esta potencia no
estaban disponibles en el momento de realizar las conexiones, así que se
adquirió una resistencia de 6.8 Ω de 2W.
En la fig. 2.12 se muestra una foto de la implementación completa de la
conexión de focos con su respectiva resistencia.
Fig. 2.12: Foto de conexiones del las boquillas con su resistencia
Para facilitar el reemplazo de un foco en caso que se queme se colocó
boquillas, en el extremo de un foco se tiene la conexión a VCC y en el otro la
resistencia de protección del foco, la salida de la resistencia esta soldada a un
conector DB25 para su conexión a las placas del CD4094B.
En la fig. 2.13 se puede observar el microcontrolador con sus respectivas
conexiones:
37
Fig. 2.13 Diagrama de las conexiones del microcontrolador
En el diagrama mostrado anteriormente, se observa el circuito del PIC , para
resetear el PIC se utiliza un pulsador en el Pin 1, el cristal de 20MHz está
conectado en los pines 13 y 14.
También se observa la conexión del teclado en el puerto B, en el puerto C se
tiene las 4 señales de salida (data, strobe, clock y OE ) hacia la interfaz que
permite la conversión de los datos de serial a paralelo (circuito integrado
CD4094B). Y en el puerto C.5 la conexión del foco 81. Además en el puerto D
se encuentra conectado el DISPLAY que nos indicará el nivel de velocidad en
el que la pista esta trabajando.
2.1.4
ETAPA DE CONTROL
Esta etapa une la etapa de entrada con la etapa de potencia, es el núcleo del
sistema y está a cargo de un microcontrolador, el cual tras la identificación de
la frecuencia de cada tono, lo almacena en una memoria RAM para
posteriormente enviar a sus puertos de salida las figuras programadas.
Una vez construida las etapas de entrada y potencia del prototipo se necesita:
38
5 líneas de entrada para los pulsadores que manejan la velocidad de transición
de las figuras.
7 líneas de entrada para el detector de tonos
4 líneas de salida del microcontrolador hacia el interfaz
7 líneas de salida para el display
1 línea de salida para la luminaria 81
En total se necesita un microcontrolador que tenga por lo menos 26 líneas de
entrada/salida, por lo que se utilizó en este proyecto el PIC 16F877A porque
tiene 33 líneas de entrada/salida y una memoria de 368 bytes la memoria
requerida para 96 figuras.
Las principales características de este PIC son:
Frecuencia Máxima 20Mhz
8KB de Memoria de programa FLASH Palabra de 14 bits
Memoria de Datos RAM de 368 Bytes.
Memoria de Datos EEPROM de 256 Bytes.
5 Puertos E/S: A, B, C y D
Tienen 40 pines, 33 líneas de E/S.
14 Interrupciones
3 Timers: 1 de 16bits y 2 de 8bit
2 Módulos CCP (módulos de Captura comparación PWM)
Comunicaciones Serie: MSSP, USART
Comunicación Paralelo: PSP(Puerta Paralela Esclava)
8 Líneas de entrada de convertidores A/D de 10 bits
35 instrucciones con 14 bits de longitud
Módulo de direccionamiento directo, indirecto y relativo
2.1.4.1
Descripción de Pines
La Fig. 2. 14 muestra la distribución de pines de este microcontrolador PIC.
39
Fig. 2.14 Distribución de pines del PIC16F877A
Este PIC dispone de 5 puertos (A, B, C, D y E) de entrada /salida, con un total
de 33 líneas para conectar a los periféricos exteriores. La asignación de
funciones para los diferentes pines es la siguiente:
Pines de propósito general:
OSC1/CLKIN (9): entrada del cristal de cuarzo o del oscilador externo.
OSC2/CLKOUT (10): salida del cristal de cuarzo. En modo RC el pin OSC2
saca la cuarta parte de la frecuencia que se introduce por OSC1, que
determina el ciclo de instrucción.
VSS (8-19): conexión a tierra.
VDD (20): entrada de la alimentación positiva.
MCLR#/VPP/THV (1) entrada de RESET o entrada del voltaje de
programación o voltaje alto en el modo test.
Puerto A:
Dispone de 6 líneas bidireccionales y su sentido queda configurado según la
programación de los bits del registro TRISA. Si el bit 0 del registro TRISA se
pone a 1 funciona como entrada, si se pone a 0 funciona como salida.
RA0/AN0 (2): puede actuar como línea digital E/S o como entrada analógica
al conversor AD (canal 0).
RA1/AN1 (3): Igual que RA=/AN0
40
RA2/AN2/VREF- (4): puede ser línea digital de E/S, entrada analógica o
entrada del voltaje negativo de referencia.
RA3/AN3/VREF+ (5): línea digital de E/S, entrada analógica o entrada del
voltaje de referencia positivo.
RA4/TOCKI (6): línea digital de E/S o entrada de reloj del timer 0. Salida con
colector abierto.
RA5/SS#/AN4 (7): línea digital de E/S, entrada analógica o selección como
esclavo de la puerta serie síncrona.
Puerto B:
RB0/INT (21): línea digital de E/S o entrada de petición de interrupción
externa
RB1 (22): línea digital de E/S
RB2 (23): línea digital de E/S
RB3/PGM (24): línea digital de E/S o entrada del voltaje bajo para
programación.
RB4 (25): línea digital de E/S
RB5 (26): línea digital de E/S
RB6/PGC (27): línea digital de E/S. En la programación serie recibe las
señales de reloj.
RB7/PGD (28): línea digital de E/S. En la programación serie actúa como
entrada de datos.
Puerto C:
RC0/T1OSO/T1CKI (11): línea digital de E/S o salida del oscilador del Timer
1 o como entrada de reloj del Timer 1.
RC1/T1OSI/CCP2 (12): línea digital de E/S o entrada al oscilador del Timer
1 o entrada al modulo captura2/salida comparación2/salida de PWM2.
RC2/CCP1 (13): línea digital de E/S, también puede actuar como entrada
captura1/Salida comparación1/salida de PWM1.
RC3/SCK/SCL (14): línea digital de E/S o entrada de reloj serie
sincrona/salida de los modos SPI e I2C.
RC4/SDI/SDA (15): línea digital de E/S o entrada de datos en modo SPI o
I/O datos en modo I2C.
41
RC5/SDO (16): línea digital de E/S o salida de datos en modo SPI.
RC6/TX/CK (17): E/S digital o pin del transmisor del USART asíncrono o
como reloj del síncrono.
RC7/RX/DT18): E/S digital o receptor del USART asíncrono o como datos
en el síncrono.
Puerto D:
RDO/PSP0 - RD7/PSP7: Los 8 pines de este puerto pueden actuar como
líneas de E/S digitales o como líneas para la transferencia de información en la
comunicación de la puerta paralela esclava.
Puerto E:
RE0/RD#/AN5: E/S digital o señal de lectura para la puerta paralela esclava
o entrada analógica (canal 5).
RE1/WR#/AN6: E/S digital o señal de escritura en la puerta paralela esclava
o entrada analógica del conversor A/D (canal6).
RE2/CS#/AN7: E/S digital o activación / desactivación de la puerta paralela
esclava o entrada analógica (canal 7).
2.1.4.1.1
Organización de la memoria de programa del PIC 16F877A
La memoria Flash en la que se graba el programa tiene una capacidad de
8KBytes de 14 bits cada una, esta memoria esta dividida en páginas de 2k
palabras y está diseccionada con el PC (contador de programa) que tiene un
tamaño de 13 bits. La pila que tiene 8 niveles de profundidad, es transparente
para el usuario, es decir, funciona automáticamente y no dispone de
instrucciones para guardar o sacar de ella información.
2.1.4.1.2
Organización de la memoria de Datos RAM
La RAM estática consta de 4 bancos con 128 bytes cada uno. En las
posiciones iniciales de cada banco se ubican los registros específicos que
gobiernan al procesador y sus recursos.
42
Para seleccionar el banco al que se desea acceder en la RAM se emplean los
bits 6 y 5 del registro de estado. Denominados RP1 Y RP0 respectivamente,
según el siguiente código:
BANCO
RP1
RP0
0
0
0
1
0
1
2
1
0
3
1
1
Tabla. 2.3 Código para la elección de un banco
2.1.4.1.3
Diferencia entre subrutina e interrupción
Las subrutinas son desviaciones de flujo de control del programa originadas por
instrucciones, por lo que se consideran síncronas. Se producen cada vez que
se ejecuta dicha instrucción.
Las interrupciones son desviaciones del flujo de control del programa
originadas asíncronamente por diversos sucesos que no se halla bajo la
supervisión de las instrucciones, dichos sucesos pueden ser externos al
sistema, como la generación de un flanco o nivel activo en una patita del
microcontrolador o bien internos como el desbordamiento de un contador.
Más información sobre el PIC 16F877A se puede observar en las hojas de
especificaciones que se encuentran en el ANEXO C.
2.1.4.2
Desarrollo del Software del sistema
El funcionamiento de la pista se describe a continuación:
Al encender la matriz se enciende todos los focos por un lapso de 3 segundos
con el fin de probar el encendido completo de la pista. Se programó 12
secuencias que constan de 8 figuras cada una, dando un total de 96.
43
Según se detecta las notas musicales las figuras aparecen, hasta que termine
las 12 secuencias, mediante una interrupción generada por el timer0
se
controla la transición entre las figuras.
Dentro de cada secuencia, a cada figura le pertenece una nota, cuando se han
detectado todas se muestra la octava figura que indica que se terminó la
secuencia ,no se pueden repetir las figuras dentro de una secuencia y solo se
puede pasar a la siguiente si todas las figuras han sido mostradas.
A continuación se muestra el diagrama de flujo general del programa en la fig.
2.15:
44
INICIO
Definición Variables
(word, byte, bit)
Declaración Sobrenombres
SHIFT REGISTER, TECLAS
Y NOTAS MUSICALES
Configuración Puertos
Puerto A y B I/D
Puerto C y D 0/D
Declaración Constantes
Configuración Pull-up, habilitador y
timer 0 con preescaler 1:4
INICIALIZACION VARIABLES
ENCENDIDO FOCOS
RETARDO 3 SEGUNDOS
DEFINICIÓN ETIQUETA
SALTO INTERRUPCION
INTERRUPCIÓN TMR
0 ACTIVADA
LAZO PRINCIPAL
FIN
Fig. 2.15: Diagrama de flujo general del programa
El programa consta de dos partes, el lazo principal y el vector de interrupción.
En el lazo principal lee el teclado proveniente del puerto B para definir un
45
preescalamiento del tiempo de las figuras mostradas, el diagrama de flujo del
lazo principal se muestra en la fig. 2.16
INICIO
TECLA1=0
REBOTES
FUNCION=1
DISPLAY=1
NO
NO
TECLA2=0
REBOTES
FUNCION=2
DISPLAY=2
NO
TECLA3=0
REBOTES
FUNCION=4
DISPLAY=3
NO
TECLA4=0
REBOTES
FUNCION=8
DISPLAY=4
NO
TECLA 5=0
REBOTE
FUNCION=10
DISPLAY=5
READ_SEC
FIN
Tomando en cuenta queFig.
existen
donde
2.16: intervalos
Diagrama de
flujo no
del se
lazopresenta
principalninguna nota
musical se programó una figura de espera, en este lazo se determina si existe
música presente o no, si existe música se lee la repuesta y se enciende una
bandera para indicar que esa nota ya fue seleccionada, si no existe se muestra
46
la figura de espera, estas instrucciones están contenidas en la subrutina
READ_SEC, el diagrama de flujo se observa en la figura 2.17.
INICIO
READ_NOTES
NO
PUERTO A=111111
Y PUERTO E.0=1
BANDERA MUSICA
AUSENTE = 1
FLAG_WAIT = 1
NO
PUERTO A≠111111
Y PUERTO E.0=0
BANDERA MUSICA
AUSENTE = 0
FLAG_WAIT = 0
CARGA TIEMPO ESPERA
PARA MÚSICA AUSENTE
FIN
Fig. 2.17: Diagrama de Flujo de la subrutina Read_Sec
Esta subrutina a su vez contiene otra de nombre READ_NOTES, que contiene
instrucciones para el manejo de secuencias de las figuras, primero se realiza la
lectura de las notas y secuencias a mostrarse.
47
INICIO
TODAS NOTAS
PROCESADAS
BANDERAS
NOTAS =0
INCREMENTO
SECUENCIA FIGURAS
PICTURE=PICTURE+8
NO
SECUENCIAS
COMPLETAS?
SECUENCIA
FIGURAS =0
BANDERA NOTA
TIEMPO TERMINADO =1
FLAG_S = 1
NOTA_MI=0
SI
1
SI
NO
FLAG_MI=0
FLAG_MI=1
TIME =TIEMPO NOTA_MI
FLAG_S=1
SHEET=PICTURE
1
2
48
2
NO
SI
Nota FA=0
NO
SI
Fig FA=0
NO
Nota
Sol=0
Fig FA=1
Time =Tiempo
Nota FA
SI
Flag-5=1
Fig -SOL=1
Time =Tiempo Nota-Sol
Sheet= Picture+1
Flag-5=1
NO
1
Sheet =Picture +2
1
Nota LA =0
SI
NO
Fig LA =0
NotaSI
=0
NO
Nota RE
=0
Fig-LA=1
Time =Tiempo Nota LA
SI
Fig Si
=0
SI
Flag-5=1
Sheet =Picture+3
Fig-SI=1
Time =Tiempo Nota
SI
Flag-5=1
Sheet =Picture+4
Fig
RE=0
Fig RE=1; Time=Tiempo Nota RE;
Sheet=Picture+5
1
1
49
NO
Nota DO
=0
NO
Fig. DO
=0
Fig.DO =1
Time =Tiempo Nota Do
Sheet =Picture+6
1
FIN
VECTOR INTERRUPCION
INICIO
NO
Bandera
Timer0=1
Bandera Timer0=0
(T0 IF=0)
NO
Música
Ausente
NO
Música
Presenta
1
Espera =Espera-1
SI
1
50
Retardo =Retardo-1
Espera =Espera-1
NO
Retardo =0
1
Espera =0
SI
1
SI
Retardo = TIME
Espera =Tiempo 8 segundos
Read -TABLE
Screen Buffer = Figura Reposo
Up Date -SCREEN
Up Date -Screen
Flag-5=0
1
1
Fig. 2.18 Diagrama de flujo de la subrutina READ-NOTES
El vector de interrupciones se encuentra habilitado solo para el timer 0 el cual
sirve para generar una base de tiempo y con la ayuda de contadores auxiliares
se establece el tiempo en el que se muestra las figuras para cada nota y el
tiempo de espera para mostrar la figura en reposo cuando no exista música,
además en el vector interrupción se envía los valores de la matriz Scree_Buffer
hacia la pantalla de focos previamente cargados con la subrutina Read_Table
que contiene los valores equivalentes de las figuras. Se muestra el diagrama
de flujo en la fig. 2.19
51
INICIO
LAZO K=0 A 10
SI
SHEET=0
LEE TABLA K, [X, X, X, X, X, X, X, X,X, X], W1
N0
SHEET=1
LEE TABLA K, [X, X, X, X, X, X, X, X,X, X], W1
NO
SI
SHEET=95
LEE TABLA K, [X, X, X, X, X, X, X, X,X, X], W1
NO
SCREEN_BUFFER[K ]= W1
FIN LAZO K
FIN
Fig. 2. 19 Diagrama de flujo de READ_TABLE
52
INICIO
LAZO K=1 a 10
PRINT_SCREEN_BUFFER [ K]
SHIFTOUT DATA, CLK, MSB_FIRST, [ PRINT]
FIN LAZO K
SI
SCREEN_BUFFER [ 0]=1
LIGHT_81=1
NO
SI
SCREEN_BUFFER [ 0]=0
LIGHT_81=0
NO
STROBE=1
PAUSA 2 us
STROBE = 0
FIN
Fig. 2.20 Diagrama de Flujo UPDATE _SCREEN.
El programa completo se encuentra en el ANEXO D.
3
3.1
CAPITULO 3
PRUEBAS Y RESULTADOS
53
3.2
PRUEBAS AL DETECTOR DE TONOS
Usando un generador de onda senoidal a la frecuencia deseada, se ajustó la
resistencia del potenciómetro hasta que cada uno de los decodificadores ponga
su salida en bajo para la frecuencia a la cual se activará.
3.3
PRUEBAS A LA ETAPA DE POTENCIA
En esta parte es importante revisar que las luminarias no se recalienten mucho
y no quemen el domo, además revisar que la corriente sea la adecuada para
evitar que por esta razón su tiempo de vida útil disminuya.
3.4
PRUEBAS DEL FUNCIONAMIENTO TOTAL DEL SISTEMA
Después de acoplar todas las etapas del proyecto, con la música se procedió a
mezclar diferentes ritmos de música y se observó, como se indica en las fotos,
que la pista funciona según lo proyectado.
En la primera foto muestra la figura que se le ha denominado como figura de
espera, porque es la que se observa cuando no existe música.
Fig. 3.1 Fotografía de la figura de espera
Esta figura es la que nos sirve como referencia para verificar que se han
realizado bien las conexiones.
54
A continuación se muestra las fotografías de algunas de las figuras que
visualizan cuando la pista empieza a trabajar:
55
56
57
Fig. 3.2: Distribución de Circuitos en la Caja vista superior
Fig. 3.3: Distribución de Circuitos en la Caja vista frontal.
58
Fig. 3.4: Foto de la caja de Control del proyecto vista frontal
Fig. 3.5: Foto de la Caja de Control del proyecto vista lateral.
59
Fig. 3.6: Foto total del proyecto
60
CONCLUSIONES
Mediante el presente proyecto se logró construir el prototipo de un novedoso
sistema de iluminación para una pista de baile, con la ayuda de un
microcontrolador, en donde las luces instaladas en la plataforma de la pista
formaran figuras de acuerdo al ritmo de la música cumpliendo así con el
objetivo planteado.
Este proyecto es una muestra indiscutible de las aplicaciones de un
microcontrolador PIC, incentivando a los estudiantes a seguir desarrollando
proyectos de esta naturaleza y a tener una visión real de lo que se puede lograr
con un dispositivo electrónico tan práctico.
El propósito del prototipo fue desplegar figuras por lo que se concentró la
atención en la etapa de potencia especialmente en la distribución y el número
de focos, porque después de analizar los parámetros técnicos se optó por el
microcontrolador PIC 16F877A.
La elección del foco fue la parte más difícil, ya que con el fin de construir
figuras que se puedan visualizar se decidió utilizar 81 focos, las pruebas nos
obligaron a seleccionar un foco de linterna incandescente de 2.5V porque se
requería un buen nivel de brillo que distribuya uniformemente la luz, como
consumía 0.5A se tuvo que utilizar un transistor para cada foco.
Los diodos Led tienen un tiempo de
vida útil mayor que las lámparas
incandescentes y un consumo de corriente de 25 mA, pero son muy pequeños
y emiten baja intensidad de luz, al realizar las pruebas se descartaron debido a
que no esparcía la luz y solo se observaba un punto de luz y con una matriz de
leds, en cada cavidad se visualizaba un conjunto de puntos.
A pesar de las ventajas que presentaban otro tipo de luminarias no se
seleccionaron debido a su alto costo y considerando el número de luminarias
en el prototipo no resultaban económicamente convenientes.
61
La fuente de alimentación debía cumplir los parámetros adecuados de
corriente, debía suministrar más de
24.3 A además debe proporcionar un
voltaje constante de 5V para el microcontrolador y las luminarias y 12V para el
preamplificador del micrófono por lo que se decidió utilizar una fuente de
computadora porque proporciona un voltaje constante y suministra la corriente
necesaria a los focos.
Al trabajar con las 7 notas musicales se obtuvo más parámetros de entrada
para manipular las figuras a la salida, consiguiendo un efecto más rítmico.
Para reconocer la frecuencia de las
notas musicales se utilizó el
integrado LM567 debido a su excelente selectividad
circuito
ya que una vez
establecido la frecuencia que debe identificar, solamente si en su entrada
detecta la presencia de dicha frecuencia cambiando de estado.
Se utilizó el circuito integrado CD4094B para convertir los datos de serie a
paralelo y expandir las salidas del microcontrolador ya que siendo 81 focos se
necesitaría 81 puertos de salida.
Por tratarse del diseño y construcción de un prototipo se precisaba un
micrófono de dimensiones pequeñas que tengan buena sensibilidad, buena
respuesta de frecuencia e impedancia relativamente baja, por estas razones
se eligió un micrófono electret y al realizar las pruebas nos proporcionó buen
resultado.
Una posible aplicación de esta pista aparte de discotecas podría ser en
escenarios, set de televisión, coliseos, teatros, etc.
Para la implementación real de esta pista de baile se necesita en vez de
domos, bloques de cristal, en vez de focos de linterna reflectores de alto
rendimiento con resistencia al golpe, pero al instalar estos reflectores se
necesita la ambientación necesaria para mantener fría la pista y que no se
recaliente con los reflectores.
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Fue interesante el trabajar con el LM567 pues en sí, no conocíamos su
funcionamiento, por lo que tuvimos que investigar y ver si cumplía con las
especificaciones necesarias.
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RECOMENDACIONES
Una de las opciones para este proyecto es colocar reflectores que proyecten la
luz y en la cubierta del mismo pintar la figura que se desea proyectar, se
necesitaría reflectores de alta potencia y alto rendimiento, para que el haz de
luz salga y al llegar a las paredes se proyecte la figura que se diseño.
La mayor parte de discotecas manejan la música mediante el computador, una
buena alternativa sería establecer la comunicación entre el computador y la
plataforma de la pista de baile, de manera que el Disk Jacke pueda seleccionar
las figuras a mostrarse desde el computador según el género de música.
En lugar de controlar el encendido de las luminarias con la música se puede
hacerlo con sensores de movimiento, además se puede añadir luces aéreas
para que combinando con las de la pista den un buen efecto.
Se recomienda revisar las hojas de especificaciones antes de diseñar y calcular
los valores de resistencia y
capacitores para el LM567, ya que para este
circuito en el datashet se recomienda algunos valores de resistencias.
Para futuros proyectos se recomienda utilizar otro PIC con mayor capacidad de
memoria, ya que con el 16F877A no es posible programar mayor cantidad de
figuras, y se observaría mejor si existieran mayor cantidad de figuras.
No se debe realizar empalmes ya que esto produce mayor consumo de
corriente y no es recomendable para el buen funcionamiento del circuito,
además causa el deterioro a corto plazo.
Los cables para la instalación de las luminarias se deben disponer en una
forma ordenada pues esto nos ayuda a evitar e identificar posibles fallas.
Se debe comprobar que el foco haga buen contacto con las boquillas ya que el
chispeó ocasiona que el foco se queme.
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Para que la intensidad de brillo sea mayor se debe pintar la cavidad donde se
ubica el foco de colores claros.
Primero seleccionar el tipo de luminaria que se va a utilizar y luego conociendo
las características de corriente y voltaje
diseñar la forma de conexiones,
puesto que si se diseña primero se corre el riesgo de no encontrar la luminaria
con las características deseadas.
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BIBLIOGRAFÍA
ANGULO USATEGUI, José.. “Microcontroladores Pic, Diseño práctico de
aplicaciones. Primera parte:Pic 16F74”-- Tercera edición; Editorial McGrawHill;2003
ANGULO, José ; ROMERO, Susana y ANGULO, Ignacio.” Microcontroladores
pic, Diseño práctico de aplicaciones. Segunda parte: PIC 16F87X “ -- Editorial
McGraw –Hill; 2000
MICHELSEN,Eduardo(2004)”Saber Electronica”.Editorial Televisa S.A. Mexico.
http://www.redeya.com
http://www.frino.com.ar/leccion1.htm
http://www.zoladi.com/efects.htm
http://www.datasheets.org.uk/specsheet.php?part=ECG293
http://www.datasheets.org.uk/specsheet.php?part=2SC1346
http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/26895/TI/CD4094B.html
www.abcdatos.com/tutoriales/tutorial/l10723.html
http://proton.ucting.udg.mx/expodec/abr2000/documentos/ic05.pdf
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MANUAL DEL USUARIO
El prototipo esta formado de dos partes:
La pista
La caja de control
CAJA DE CONTROL
CAJA DE CONTROL
PISTA
La caja de control se conecta con la fuente de alimentación que funciona con
110v.
La pista y la caja de control se conectan con los cuatro conectores DB25 los
cuales están respectivamente etiquetados.
La caja de control tiene un display indicador y cinco pulsadores para
seleccionar la velocidad de transición de las figuras. El primer pulsador tiene
mayor velocidad y va disminuyendo.
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1.
2.
3.
4.
5.
Muy Alta
Alta
Media
Baja
Muy baja
En la parte lateral posterior se encuentra el micrófono el cuál es el encargado
de captar la música, se debe tomar en cuenta que este prototipo está diseñado
para una discoteca por lo que funciona a alto volumen y la fuente de sonido
debe estar a una distancia adecuada del micrófono.