Capítulo 4: Diseño electrónico

Capítulo 4:
Diseño electrónico
En este capítulo se describirá los pasos que se siguieron para la elaboración
electrónica de los circuitos del prototipo. Las opciones que se consideraron y las decisiones
que se tomaron finalmente.
4.1 Configuración de Sensores de proximidad IR.
Ya terminado el diseño mecánico ahora se enfocó a lo que es el diseño electrónico
para esto se realizaron varias pruebas con distintas configuraciones de diferentes sensores
infrarrojo ya que en un principio fue la opción más viable por el tamaño del prototipo y la
distancia a la que debería de sensar.
Por esto se probó el encapsulado TCRT5000 el cual contiene el emisor y receptor
juntos. Después se le calcularon las resistencias para controlar la corriente que pasa por el
led infrarrojo y un comparador con el fin de caracterizarlo y así el voltaje
variara de 0 a
3.2 volts, se probó el sensor y efectivamente nos daba los resultados que queríamos pero
simplemente era un sensor analógico que variaba gradualmente con la distancia y que
además era afectado fácilmente por la luz solar o simplemente por las lámpara del
laboratorio por lo que descartamos la posibilidad de utilizarlo [18].
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Figura 4. 1 configuración con sensor en encapsulado TCRT5000
Con lo anterior nos dimos cuenta que era necesaria una modulación de la luz
emitida por el led y que también la luz detectada por el fototransistor sólo fuera la luz
modulada a cierta frecuencia. Buscando, encontramos el siguiente circuito que utiliza un
fototransistor PNA4502 el cual tiene una modulación interna para sólo detectar la luz a
38KHz. Es decir sólo faltaba hacer la modulación del led infrarrojo como a continuación se
muestra. Era la mejor opción; sin embargo, el circuito ocupaba más espacio del que se tenía
para instalar los sensores en el prototipo, así que se buscaron otros sensores que no
necesitaran de tal circuito modulador [18].
Figura 4. 2 Configuración con sensor en encapsulado PNA4502
Finalmente se encontró el IS471F que es un encapsulado de la marca SHARP.
Este actúa al recibir luz infrarroja modulada a cierta frecuencia, mandando una señal
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lógica dependiendo de su alimentación por ejemplo en este caso se alimento con 4.2 volts y
por la caída en el led su salida era de 3.7 volts. Este sensor
cuenta con un modulador
interno en una de sus patas que se conecta al led infrarrojo para modular la frecuencia del
led y así sólo recibe la luz del led modulado y ninguna otra fuente de luz.
Por estas propiedades se decidió implementar este sensor ya que requiere sólo de
un circuito muy sencillo para funcionar, y esto era una gran ventaja ya que en comparación
con los anteriores este sólo requiere de un área muy pequeña.
Se diseñó la configuración en el programa Proteus ISIS 6 Professional y quedó de
la siguiente manera.
Figura4. 3 Diseño de circuito sensor
Ya teniendo la configuración se probó en un protoboard y la distancia a la cual
detecta depende del valor de la resistencia. Los delanteros detectan con una resistencia de
220Ω a una distancia de 4cm. Mientras que los traseros con una de 150 Ω detectan a 6cm.
El circuito funcionó correctamente por lo que se prosiguió a realizar un circuito impreso
para ahorrar espacio y poder colocarlo en el prototipo, el diseño quedo de la siguiente
manera
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Figura 4. 4 Diseño para circuito impreso de circuito sensor
De esta manera se tienen los sensores infrarrojo terminado y colocado con una
distancia de detección de entre 4-6 cm.
Figura 4. 5 Sensores infrarrojos en el móvil.
4.2 Tarjeta Spartan 3: starter board.
Durante el proyecto se utilizó la tarjeta Spartan 3, desarrollada por Xilinx ® tiene la
cualidad de que a un bajo costo y con una facilidad de uso se pueden desarrollar proyectos
de cualquier complejidad. Esta tarjeta está dotada con elementos tales como [19]:
200,000 compuertas
Xilinx Spartan-3 XC3S200 FPGA
en un
encapsulado
XC3S200FT256
4,320 celdas lógicas equivalentes
doce bloques de 18K-bit de RAMs es decir (216K bits)
doce 18x18 multiplicadores en hardware.
Cuatro relojes maestros digitales (CDMs).
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Hasta 173 puertos de entradas/salidas.
contiene una plataforma Xilinx XCF02S de
2Mbit
en sistema de configuración
programable PROM
2 puertos de expansión.
Programable por medio de interface JTAG.
Alimentación: 5V a 1200 mA
Los bloques de entradas y salidas (IOB) proveen de un interfaz programable
bidireccional entre los pines de entrada y salida y la lógica interna de los FPGAs . La
figura 4.6
muestra el diagrama simplificado de estos bloques, los cuales se pueden
programar de tres diferentes maneras ya sea como entrada, salida o de tercer estado.
Figura 4. 6 Diagrama de un bloque de entrada o salida
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Todos los parámetros de entrada y salida en las especificaciones del fabricante son
representativos ya que contienen un margen de error por pérdidas
del voltaje de
alimentación o por condiciones de temperatura en las cuales se trabaje pero los rangos no
varían mucho de la siguiente tabla.
Tabla 4.1 Rangos máximos de voltaje de la tarjeta spartan 3
4.3 Circuito de alimentación para sensores y puente H .
Como se vio antes la tarjeta spartan 3 sólo soporta voltajes de entrada óptimos de
3.3 v y máximos de 3.75+0.5 V esto es de 4.25V según la tabla anterior, por lo que con la
fuente normal no es posible alimentar a los sensores puesto que el circuito necesita ser
alimentado con 6 V que es con el voltaje que trabajan los motores de CD y los
servomotores del móvil. Fue necesario utiliza un regulador de voltaje positivo a 3.3 volts
de Texas instruments es el UA78m33 el cual tiene la capacidad de regular voltaje desde
5v hasta 25 v con una salida regulada fija de hasta 3.3 volts los cuales de acuerdo a lo que
antes se dijo es soportada por la tarjeta Spartan 3.
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La configuración utilizada para el regulador es la aplicación más usada en circuitos,
utilizando el 78m33 y dos capacitores de uno de la entrada al común y otro de la salida al
común, esto para que El capacitor C1, filtra la tensión del rectificador, mientras que el
capacitor C2 desacopla la alimentación como se muestra en la figura.4.7.
U1
C1
VO
GND
VI
3
100n
2
330n
C2
7805
1
Figura 4. 7 Configuración de Regulador de voltaje a 3.3V
Con esto se tiene la alimentación de los sensores ya que como anteriormente se dijo
la salida del sensor depende de la alimentación y esta salida tenía que ser 3.3 V por la
entrada que admite la tarjeta de control del FPGA.
Como se ve en la figura 3.2 el sistema tiene motores de CD ya que estos servirán
para un desplazamiento más rápido en terrenos planos y poco accidentados. Para el control
de estos motores es necesaria la utilizacion de un Driver bidireccional que soporte la
corriente que dadas las caracteristicas de los motores en promedio es de 100mA por cada
uno. Para solucionar esto se buscó entre varios drivers y configuraciones de puentes H. En
primera instancia se encontró un driver bidireccional L298N el cual contiene dos
configuraciones similares a un puente H como se vio en el capítulo 2 y que se alimenta de 5
a 46 V y puede entregar una corriente de hasta 3A. (figura 4.7)
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Figura 4. 8 Configuracion interna de driver L298N.
Donde se tiene una lógica similar a la de un puente H con la diferencia que tiene una
entrada EN (enable) ya que con esta entrada se puede controlar la velocidad, además de la
direccion, al mismo tiempo la dirección siguiendo la lógica de la tabla 4.1, mientras que la
velocidad con un PWM en esta pata del integrado. Sin embargo, como estamos usando un
motorreductor no hay necesidad de controlar la velocidad así que ésta entrada se mantiene
en 1 lógico siempre
.
ENTRADAS
VEN= 1 logico
FUNCIONES
IN1=1logico : IN2=0logico
ADELANTE
IN1=0logico : IN2=1logico
ATRÁS
IN1=1logico : IN2=1logico
MOTOR DETENIDO
IN1=No importa
VEN= 0 logico
IN2=No importa
MOTOR LIBRE
Tabla 4.2 Lógica para driver.
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Se realizó el circuito para la configuración de control bidireccional de un motor en
el protoboard y posterior mente en circuito impreso, sin embargo después de leer la hoja de
datos se detecto un problema y es que por el voltaje de control mínimo del driver que es
de 4.5V y la diferencia de salida de la tarjeta de control que es de 3.3V la polarización del
driver algunas veces si se realizaba y en otras ocasiones no. Por lo que se decidió no utilizar
este circuito integrado.
Finalmente se encontró una configuración de puente H, que aunque es un poco más
elaborada es también muy funcional. La figura 4.9 muestra esta configuración la cual
sigue la misma lógica que la tabla 4.2 sin el enable.
Figura 4. 9 Configuración final de driver [20].
Es sabido que el sentido de un motor de corriente directa depende esencialmente de
la polarización de sus terminales y por ende del sentido en el que pasa la corriente por
medio del motor. Por lo que para el control de los motores se utilizó el puente H con
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transistores TIP ya que la función de los transistores es abrir y cerrar el paso de corriente,
como si fueran interruptores. El funcionamiento de este puente H para el avance de un
motor de CD es por medio del control del circuito, poniendo 3.3V en la entrada de avance y
0V en la de retroceso. De esta manera se realiza la polarización del transistor Q1 por la
circulación de la corriente
en la base de este transistor para llevarlo a saturación y
posteriormente Q1 polarice de igual forma a Q2 y Q5 y así la corriente pasa del punto “a”
al punto “b” moviendo el motor en un sentido.
.
Con toda esta información se realizó una simulación animada del puente H en el
software Proteus con lo que se vio el buen funcionamiento de este circuito.(Figura 4.10)
Q2
Q1
TIP32
R1
27R
D1
D3
1N4004
1N4004
R2
27R
Q5
TIP32
Q7
2N2222
2N2222
+88.8
+88.8
D4
D2
B2
B1
Q4
1N4004
1N4004
Q3
R4
3.3V
12V
1k
TIP31
SW2
TIP31
SW -SPDT
R3
1k
SW1
SW -SPDT
Figura 4. 10 Simulación del puente H
Posteriormente ya simulado el driver se sumó a este circuito los reguladores de
voltaje a 3.3V para la alimentación de los sensores. Se realizaron dos circuitos impresos
con un puente H y alimentación para dos sensores cada uno, ya que aunque tenemos cuatro
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llantas el comportamiento de las dos llantas del lado izquierdo y las dos llantas del derecho
se comportan de igual manera (Figura 4.11).
U1
J1
7805
2
1
SIL-156-02
Q2
D1
27R
1N4004
CONN-SIL3
3
R2
D3
27R
J3
VO
2
Q1
TIP32
R1
VI
GND
1
J4
Q5
1N4004
CONN-SIL3
J5
TIP32
Q7
3
2
1
1
2
3
1
2
3
2N2222
2N2222
CONN-SIL3
D4
Q4
1N4004
D2
1N4004
J6
Q3
TIP31
R4
1k
3
2
1
CONN-SIL3
TIP31
R3
2
1
1k
J2
SIL-156-02
Figura 4. 11 Circuito de driver con reguladores de voltaje.
Finalmente se realizó el circuito impreso en el software ARES (figura 4.12) y se
manufacturó. Con lo que se culmina con el diseño electrónico.
Figura 4. 12 Diseño de Circuito Impreso Final en ARES e Impreso Terminado e instalado en móvil.
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4.4 Diagrama electrónico general del sistema.
En la imagen 4.13 se muestra el diagrama electrónico general del móvil. Se tienen las
entradas de los sensores y switches que mandan las señales al FPGA, el cual toma las
decisiones programadas y de acuerdo con esto envía las señales de salida que pasan a través
del puente H si son para los motores de CD o si son los PWM estas señales pasan por la
tarjeta de conexión con los servos.
Figura4. 13 Diagrama general del diseño electrónico.
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