CAPITULO IV RESULTADOS En este capítulo se exponen los

CAPITULO IV
RESULTADOS
En este capítulo se exponen los resultados obtenidos de la
investigación, referente al desarrollo del diseño de un sistema de medición de
distancia por ultrasonidos.
Presentación y descripción de los resultados.
Se presentará seguidamente la descripción de cada una de las
etapas llevadas a cabo durante la elaboración de este sistema hasta la
presentación de los resultados de las pruebas, así como el análisis de estos.
Descripción general
La realización de este trabajo de investigación se planteo en varias
fases. La primera consistió en describir la propuesta del proyecto y el estudio
en la selección de los dispositivos, para ser implementados durante la
construcción del sistema de medición. En su segunda fase, consistió en el
desarrollo del modulo de campo o sistema de medición el cual se dividió en
tres partes:
1.
Etapa de diseño.
2.
Etapa de software.
3.
Etapa de pruebas y simulaciones.
Por ultimo una tercera fase, comprendió el análisis de los resultados,
estudio de factibilidad económica y técnica del proyecto.
Fases del proyecto
Descripción de la propuesta
Para desarrollar el sistema de medición de distancia por ultrasonidos,
se comenzó realizando de manera general un diagrama con imágenes
alusivas al proyecto, como se muestra en la figura 4.1, con el fin de dar una
idea práctica del funcionamiento.
Figura 4.1 Diagrama Práctico del Sistema de Medición por Ultrasonido
Fuente: Elaboración propia
Para explicar sencillamente partimos desde el usuario, este obtendrá
mediante un programa en el computador, todos los datos adquiridos de las
mediciones. La comunicación en este caso del individuo y el medidor, se
basa en una comunicación inalámbrica, por donde se envían y reciben datos.
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Nuestro medidor tiene la versatibilidad de capturar mediciones cuando se las
soliciten y enviarlas por los transmisor/receptor, cerrando así el ciclo hombre
maquina hasta obtener las variables medidas.
De esta forma se plantea el sistema totalmente automatizado,
inalámbrico y a su vez portátil, con grandes ventajas, para ser
implementados en diversas aplicaciones, donde se necesite mediciones
sobre todo de tipo sin contacto directo.
Figura 4.2 Diagrama de Bloque de Sistema de Medición por Ultrasonido
Fuente: Elaboración propia
Ahora en la figura 4.2 presentada anteriormente, se representan en el
diagrama cada uno de los bloques enfocado más a la electrónica, con las
partes que conforman el proyecto. Estos fueron dos sensores encargados de
hacer la medición del eco correspondiente con la distancia del objeto, otro
encargado de medir la temperatura, y obtener la distancia en función de esta
ultima variable, un microcontrolador donde sucesivamente van estas señales,
cuya función es llevar control del proceso y enviar las variables para realizar
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los cálculos necesarios del sistema, además de transmitir y recibir
información en forma serial desde los módulos de radiofrecuencia.
Todo esto alimentado a través de una batería y reguladores de voltaje
que componen la alimentación del equipo, integrando el medidor que estará
ubicado siempre en el sitio donde se apliquen las mediciones. Por ultimo
todos los datos se mostrarán en el computador a través de un software
previamente configurado en la etapa de visualización integrando la interfaz
de control de usuario.
La siguiente figura 4.3 nos muestra el funcionamiento general del
sistema de medición en 6 pasos.
Figura 4.3 Funcionamiento en Bloques del Sistema de Medición por Ultrasonido
Fuente: Elaboración propia
Al momento de iniciar una medición, abrimos el software donde se
realizaron los cálculos e interfaz entre el sistema y el usuario, seguidamente
se procede a conectar el modulo de radiofrecuencia a través del puerto USB
(Universal Serial Bus) del computador de tal forma que sea reconocido por
el programa y asignado al mismo para capturar los datos provenientes de los
sensores.
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Una vez conectado los equipos y encendido el modulo o medidor
donde están los sensores, en el software iniciamos una corrida del programa
que de manera inmediata, comenzará a mostrar los datos de la distancia y la
temperatura en los instantes que se solicite dicha información. Además
simultáneamente llevará un historial en una tabla de cada una de sus
mediciones hechas. Todo esto hasta que el usuario decida parar la corrida
programa y así culminar la medición.
Selección de dispositivos
En este proyecto una de las partes importantes y fundamentales,
resulta ser la búsqueda, selección, de un transductor emisor-receptor de
ultrasonido. Después de una larga búsqueda se localizaron varios modelos
con características diferentes. Dentro de las posibilidades de adquisición y
las necesidades requeridas, el dispositivo utilizado comúnmente fue el
400ST/R160, como se muestra en la figura 4.4 ofrecido por la empresa
Daventech®, el emisor (T) y el receptor(R).
Figura 4.4 Transductores 400ST/R160
Fuente:http://www.snailinstruments.com/pics/400str.jpg
Antes
de
la
elección
del
dispositivo
ultrasónico
comparaciones de 4 sensores y son expuestos en la tabla 4.1.
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se
hizo
Tabla 4.1 Comparación de diferentes tipos de sensores de ultrasonidos.
Precio
Nombre del Sensor
Características Relevantes
Unitario
(Bsf)
Distancia Minima: 3 cm
Distancia Máxima: 300 cm
Frecuencia central: 40.0 + 1.0 Khz
400sT/R160
Angulo de emisión total 55° típico (-6db)
85,00
Temperatura de operación -30° a 80°C
Máx. Voltaje de 20 Vrms
No posee precontrol
Tensión: 5V
Consumo 30 mA Tip. 50 mA Máx.
Frecuencia: 40 Khz.
SRF04
Distancia Minima: 3 cm
105,00
Distancia Máxima: 300 cm
Angulo de Emisión total 50°
Posee precontrol
Frecuencia: 42 Khz
Tensión de 2.5 a 5V
Distancia Minima: 0 cm
LV-MaxSonar®- EZ3™
Distancia Máxima: 645 cm
290,00
La corriente recomendada. La capacidad de
3mA para 5V, y 2mA para 3V.
Posee precontrol
Frecuencia: 40 Khz
Tensión: 5V
Distancia Minima: 2 cm
PING)))™Ultrasonic
Distance Sensor (#28015)
Distancia Máxima: 300 cm
290,00
Consumo 30 mA Tip. 35 mA Máx.
Posee precontrol
Fuente: Elaboración propia, fecha 20/02/2010
El proceso de búsqueda y adquisición del transductor, por diversas
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situaciones, tomando en cuenta sugerencias brindadas por especialistas del
tema y disponibilidad en el mercado, nos llevo a la elección de 1 dispositivo
que funciona como transductor y tiene acoplado un sistema de precontrol,
que posee ya integrado transductores del tipo 400ST/R160.
El PING # 28015, este sensor mencionado anteriormente se utilizara
para la medición de distancia, perteneciente a la compañía Parallax, Sensor
tiene una forma de operación muy similar al SRF04.
Este sensor ultrasónico de distancia PING))) permite efectuar la
medición de distancia de objetos colocados entre 3 cm y 3.3 m, es fácil de
conectar y requiere únicamente para su operación un Terminal de entrada
/salida del microcontrolador como se observa en la figura 4.5.
Figura 4.5 Sensor de Distancia Ultrasónico Ping #28015
Fuente:http://www.msebilbao.com/tienda/images/28015.jpg
El funcionamiento de este poderoso sensor se basa en la utilización
de ondas ultrasónicas, que se caracterizan porque su frecuencia supera la
capacidad de audición de los seres humanos. Como sabemos el oído
humano es capaz de detectar ondas sonoras de frecuencias comprendidas
entre unos 20 y 20000 Hertz, esto se le conoce como espectro audible. Toda
señal sonora que se encuentre por encima de este rango, se cataloga como
ultrasónica.
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El sensor PING transmite una ráfaga ultrasónica y mide el tiempo
que demora el eco en ser recibido. Este eco se produce cuando las ondas
sonoras golpean un objeto que se encuentra dentro del rango de medición
del PING))).
El sensor PING))) entrega una salida en forma de un pulso digital que
es proporcional al tiempo requerido por el ultrasonido para ir desde el módulo
emisor, golpear contra un objeto y regresar hasta el receptor. Para lograr que
el microcontrolador obtenga la medición de distancia de un objeto colocado
frente al PING))), basta con medir la duración de este pulso y aplicar un
sencillo cálculo para obtener el resultado. Este sensor es una buena elección
para aplicaciones donde se requiera efectuar la medición de distancia entre
objetos fijos o móviles. También puede ser usado en robótica, sistemas de
seguridad o como reemplazo de sistemas basados en infrarrojo. En la
siguiente figura 4.6 se mostrara las conexiones del sensor ultrasónico y las
señales que capta y emite durante su funcionamiento.
Figura 4.6 Funcionamiento del sensor de distancia Ping #28015
Fuente: Hoja de especificaciones técnicas del Ping #28015
En la siguiente tabla 4.2 se mostrara las características técnicas
para su correcto funcionamiento.
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Tabla 4.2 Características Técnicas del PING #28015
Tensión
5V
Consumo
30 mA tip; 35 mA Max.
Frecuencia:
40 Khz
Distancia Minima:
3cm
Distancia Máxima:
300 cm
Diodo LED indicador de actividad.
Si
Pulso de Disparo:
Pulso ascendente TTL con duración mínima
de 5us.
Pulso de Eco
Pulso ascendente TTL comprendido entre
115 us y 18.5 ms.
Tiempo entre disparo y pulso de eco
750 us.
Tiempo de emisión del ultrasonido
200 us.
Tiempo mín de espera entre medidas
200 us.
Tamaño:
22x46x16 mm.
Angulo de emisión
Cónico de 25°
Peso:
10 gr.
Fuente: Hoja de especificaciones técnicas del PING #28015
Dentro de las características mencionadas, resulta de gran
importancia recalcar una de ellas, el ángulo de emisión. Este ángulo indica el
área que abarca la onda sónica expansiva. Dicha información resulta útil,
para determinar ciertas condiciones y características del lugar donde se
ubicará el dispositivo y se realizarán las pruebas del sistema. Esto revela
que, para poder detectar objetos en línea recta no se debe estar presente
ningún otro cuerpo, en el trayecto de la onda a 25° del emis or.
A continuación la figura 4.7 muestra el área que abarca la onda
ultrasónica emitida. Esta área comprende 25° a la derech a del emisor y 25° a
la izquierda del mismo, por lo cual, el área total implica 50° formando un
triangulo
isósceles,
siendo
su
vértice
emisor/receptor de ultrasonido.
38
superior
la
ubicación
del
Figura 4.7 Angulo de Emisión
Fuente: www.superrobotica.com
Hay que tomar en cuenta para una buena medición. Ningún objeto
debe encontrarse dentro del área de emisión. De esta forma será detectado
solamente el objeto deseado. Para mas detalles sobre el sensor ultrasónico
ver anexo 1.
Con respecto al sensado de la temperatura se tomaron en cuenta los
dispositivos LM 35 y el LM 335 cuya tabla 4.3 se observan la comparación
de las características de ambos.
Tabla 4.3 Comparación de Sensores de Temperatura
CARACTERISTICAS
LM 35
LM 335
Tipo de medición
°C
°K
Rango de Medición
-55º a +150ºC
233°K a 373°K
Escala de Factor
Lineal
No lineal
4 a 30V
0 a 5V
Rango de Operación
450uA a 5mA
Circuito de Acople
NO
SI
Impedancia de salida
Baja
Baja
Fuente: Elaboración propia
Debido a que el dispositivo LM 35 es un sensor de temperatura con
una precisión calibrada de 1ºC, un rango que abarca desde -55º a +150ºC,
salida lineal que equivale a 10mV/ºC, resulta de mayor ventaja para la
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aplicación de este proyecto, porque se evitaría el uso de circuitos de acople y
mayor utilización de componentes. Además posee virtudes al poder usarse
para compensar un dispositivo de medida sensible a la temperatura ambiente
como el PING 28015, refrigerar partes delicadas de un robot o bien para
muestrear temperaturas en el transcurso de alguna operación sobre un
sistema. Para conocer mayores características de este dispositivo ver
anexo 2.
Para
la
etapa
del
control
del
sistema,
se
hizo
uso
del
microcontrolador PIC18F4550, un PIC de cuarenta pines que se puede
aprecia en la figura 4.8.
Figura 4.8 Presentación en capsula del micro PIC18F4550
Fuente: http://media.digikey.com/photos/Microchip%20Tech%20Photos/150-40-DIP.jpg
Para mas información acerca del conexionado de pines del
PIC18F4550, se encuentra detallado en el anexo 3 de esta investigación.
En cuanto a la transmisión de datos, nuestro sistema es inalámbrico.
El modulo de campo encargado de sensar las variables, procesar y enviar los
datos, requiere de un módulo transmisor/receptor de radiofrecuencia para
permitir la comunicación entre el usuario y la parte operativa, de manera que
en conjunto formar el sistema de medición.
40
Para ello previo estudio y comparaciones entre dispositivos
disponibles en el mercado, que funcionan como módulos de radiofrecuencia,
se seleccionó el módulo el XBee de la compañía MaxStream (ver anexo 4),
este funciona bajo el protocolo Zigbee, permite que dispositivos electrónicos
de bajo consumo puedan realizar sus comunicaciones inalámbricas siendo
especialmente útil para redes de sensores en entornos industriales, médicos
y sobre todo domóticos; todo esto destacado en el capitulo II.
En la siguiente figura 4.9 se mostrara el modulo xbee que funciona
como un transceiver a una frecuencia de 2.4 Ghz junto al xbee Explorer usb.
Figura 4.9 Modulo Xbee Serie 1 y Xbee Explorer USB de la compañía Maxstream
Fuente: Guía del Usuario, MCI Electronics, Desarrollada por Andrés Oyarce
Es ideal para establecer una base inalámbrica como en nuestro
proyecto, debido que tendremos un primer transmisor/receptor XBee y el
XBee Explorer USB como conector usb y fuente de voltaje para el modulo.
La figura 4.10 muestra a continuación las conexiones mínimas que
necesita el módulo XBee para poder ser utilizado, que fue implementada en
nuestro modulo de campo. Luego de esto, se debe configurar el dispositivo
según el modo de operación adecuado para la aplicación requerida por el
usuario.
41
Figura 4.10 Conexiones mínimas requeridas para el Xbee
Fuente: Guía del Usuario, MCI Electronics, Desarrollada por Andrés Oyarce
El módulo requiere una alimentación desde 2.8 a 3.4 V, la conexión a
tierra y las líneas de transmisión de datos por medio del UART (TXD y RXD)
para comunicarse con un microcontrolador, o directamente a un puerto serial
utilizando algún conversor adecuado para los niveles de voltaje.
Esta configuración, no permite el uso de Control de Flujo (RTS &
CTS), por lo que ésta opción debe estar desactivada en el _ ODEM_ do y en
el módulo XBee. En caso que se envíe una gran cantidad de información, el
buffer del módulo se puede sobrepasar. Para evitar esto existen dos
alternativas:
•
Bajar la tasa de transmisión
•
Activar el control de flujo.
Los módulos XBee, pueden operar en 5 modos como se observa en la
figura 4.11, pero para nuestro funcionamiento bastara con conocer 2 modos
transmitir/recibir y el que trae por defecto modo transparente, que a fin de
cuenta es el que vamos a implementar:
42
Figura 4.11 Modos de operación del modulo Xbee.
Fuente: Guía del Usuario, MCI Electronics, Desarrollada por Andrés Oyarce
Modo recibir/transmitir: Se encuentra en estos modos cuando el módulo
recibe algún paquete RF a través de la antena (modo Recibir) o cuando se
envía información serial al buffer del pin 3 (UART Data in) que luego será
transmitida (modo Transmitir).
La información transmitida puede ser Directa o Indirecta. En el modo
directo la información se envía inmediatamente a la dirección de destino. En
el modo Indirecto la información es retenida por el módulo durante un período
de tiempo y es enviada sólo cuando la dirección de destino la solicita.
Además es posible enviar información por dos formas diferentes. Unicast y
Broadcast.
Por la primera, la comunicación es desde un punto a otro, y es el
único modo que permite respuesta de quien recibe el paquete RF, es decir,
quien recibe debe enviar un ACK (paquete llamado así, y que indica que
recibió el paquete, el usuario no puede verlo, es interno de los módulos) a la
dirección de origen. Quien envió el paquete, espera recibir un ACK, en caso
de que no le llegue, reenviará el paquete hasta 3 veces o hasta que reciba el
ACK. Después de los 3 intentos se incrementa el registro de fallas ACK en
43
uno. Para ver el conteo se utiliza el comando EA (ATEA en el Modo de
Comandos– ACK Failures), el cual se satura hasta 0xFFFF (65535
decimales).
Para resetear el registro se debe ingresar ATEA0. En el modo
Broadcast la comunicación es entre un nodo y a todos los nodos de la red.
En este modo, no hay confirmación por ACK.
Modo de Conexión Transparente: Esta es la conexión que viene por defecto
y es la forma más sencilla de configurar el módem. Básicamente todo lo que
pasa por el puerto UART (DIN, pin 3), es enviado al módulo deseado, y lo
recibido en el módulo, es enviado devuelta por el mismo puerto UART
(DOUT, pin2).
Existen básicamente 4 tipos de conexión transparente. La diferencia
principal radica en el número de nodos o puntos de acceso, y la forma en que
éstos interactúan entre sí. Dentro de este modo de operación explicaremos
solo el utilizado en el desarrollo de nuestro sistema de medición.
Punto a Punto: Es la conexión ideal para reemplazar comunicación serial por
un cable y la que utilizaremos en nuestro sistema de medición. Sólo se debe
configurar la dirección. Para ello se utilizan los comandos MY y el DL. La
idea, es definir arbitrariamente una dirección para un módulo, usando el
comando MY, el cual se va a comunicar con otro que tiene la dirección DL,
también definida arbitrariamente. Con esto cada módulo define su dirección
con MY, y escribe la dirección del módulo al cual se desea conectar usando
DL.
En este modo, el módulo receptor del mensaje envía un paquete al
módulo de origen llamado ACK (viene de Acknowledgment) que indica que el
44
mensaje se recibió correctamente. En la siguiente figura 4.12 se muestra un
pequeño ejemplo donde las direcciones se eligieron arbitrariamente:
Figura 4.12 Configuración modulo 1
Fuente: Guía del Usuario, MCI Electronics, Desarrollada por Andrés Oyarce
Se observa que en el módulo 1, se ajustó la dirección de origen como
0x3BA2 (ATMY3BA2), mientras que la dirección de destino se asignó como
0xCC11 (ATDLCC11) que corresponde al módulo 2. En el otro módulo se
observa lo siguiente a través de la figura 4.13.
Figura 4.13 Configuración modulo 2
Fuente: Guía del Usuario, MCI Electronics, Desarrollada por Andrés Oyarce
En este módulo se asignó como dirección de origen 0xCC11
(ATMYCC11) y como dirección de destino 0x3BA2 (ATDL3BA2) que
corresponde al módulo 1. La siguiente figura 4.14 muestra un ejemplo gráfico
de lo anterior.
45
Figura 4.14 Conexión punto a punto.
Fuente: Guía del Usuario, MCI Electronics, Desarrollada por Andrés Oyarce
En la figura anterior se muestra que la primera conexión es una
punto a punto, utilizando direccionamiento de 16 bits, mientras que la
segunda utiliza direccionamiento de 64 bits. Una vez configurado, el módem
se encuentra listo para funcionar. Así todo lo que se transmite por el pin DIN
de un módulo, es recibido por el pin DOUT del otro. Para que el modo Punto
a Punto funcione, los módulos deben pertenecer a la misma PAN ID y al
mismo canal.
Desarrollo del sistema de medición
Para la construcción y diseño del sistema de medición se dividió el
proceso en tres etapas:
•
Etapa de diseño del hardware.
•
Etapa de software.
•
Etapa de pruebas.
Etapa de diseño del hardware
Esta etapa consiste en el diseño del circuito que dará funcionalidad
en su totalidad al equipo que conforma el sistema de medición por
ultrasonido.
46
Para la realización de los diseños de circuitos que componen al
medidor de distancia, se hizo uso del software Proteus v7.2 SP6.
A continuación se describe el funcionamiento del microcontrolador
18f4550, los sensores ping #28015 de parallax y el LM 35 como se muestra
en la figura 4.15.
Figura 4.15 Circuito de medición de temperatura y distancia
Fuente: Elaboración propia
Esta parte compuesta por los componentes mencionados tienen por
objetivo captar la temperatura y el eco de los sensores para realizar la
medición de distancia.
Externamente a través del computador se envía una petición de
medición que recibe el microcontrolador PIC18f4550 en forma serial por el
pin RC7. Dicho pin del microcontrolador inicia la secuencia de medida, es
decir, envía un pulso de activación al sensor de 2 a 5 us que incita al mismo
47
a emitir una ráfaga de ultrasonidos para iniciar el proceso. Los sensores
#28015 de parallax transmiten un tren de pulsos de 8 ciclos a 40KHZ.
Luego de enviar y recibir dicha cadena de pulsos en un periodo de
200 us a 40 KHZ, el sensor tomando un tiempo de 750 us luego de recibir el
pulso de activación, automáticamente emite hacia el microcontrolador una
señal cuadrada de 0 - 5V cuyo nivel alto (5V) variará de acuerdo a la
distancia a que se encuentre el objeto a medir. Cabe destacar que el tiempo
mínimo en nivel alto o el ancho del pulso estará comprendido entre 115 us y
18.5 ms. Por encima de eso estará en presencia de un objeto fuera de su
alcance de medición. Una vez concluido estos tres pasos que se pueden
apreciar en la figura 4.16. También es importante mencionar que el sensor
toma un tiempo de 200 us entre medidas y así poder comenzar nuevamente
otra medida.
Figura 4.16 Pasos en la obtención del eco para calcular distancia
Fuente: Elaboración propia
Una vez apreciada la figura anterior se debe mencionar que en los
pulsos de activación se debe garantizar que la salida del microcontrolador a
través de los pines RA1 y RA2 parta desde 0 a 5V generando flanco de
48
subida que es fundamental para que el sensor se active además de tener la
precaución al momento de que este emita el eco en el paso 3 que el
microcontrolador tenga los pines mencionados como entradas ya que de
estar como salidas podrían generar daños a los sensores ultrasónicos.
Para la medición de la temperatura utilizando el sensor lineal LM 35
cada vez que se recibe la petición en forma serial al igual que los sensores
ultrasónicos. El microcontrolador a través del pin RA0 configurado como
entrada analógica captura el nivel de tensión en función de la temperatura
que es 10mv/°C y utilizando el conversor analógico di gital a resolución de 10
bits se obtiene un valor que nos permitirá posteriormente saber la
temperatura en ese instante.
De esta forma el circuito de la figura 4.15 cada vez que tiene una
variable proveniente de un sensor, las transmite en forma serial a los
módulos de radiofrecuencia XBee que se encargaran de enviarlos en forma
inalámbrica hacia al el otro módulo que estará conectado al computador,
para que a través de software, aplicar cálculos matemáticos y mostrar en
pantalla los resultados.
En la figura 4.17 se puede observar las conexiones de los módulos
XBee. Se destaca que los módulos XBee cuentan con indicación interna de
cuando envía y recibe datos, bien sea en forma serial para el
microcontrolador o inalambricamente hacia el otro modulo. Además de estas
indicaciones en el microcontrolador se observaran por medio de dos diodos
led cuando se recibe y transmiten datos en forma serial hacia uno de estos
módulos desde el microcontrolador.
49
Figura 4.17 Circuito transmisión y recepción inalámbrica
Fuente: Elaboración propia
Como es un dispositivo portátil, este no podrá estar conectado a una
fuente de alimentación constante, como por ejemplo la fuente de
alimentación de los laboratorios, por tanto habrá que usar baterías. Estas
tienen la ventaja de que se pueden recargar.
Como se puede observar en la figura 4.18 una batería de 9V
alimenta a todos los componentes del sistema, pero utilizando dos
reguladores variables LM 317 obtenemos un voltaje fijo de 3.3v con el que
50
se alimenta el modulo de radiofrecuencia XBee y otro configurado para tener
5V para alimentación del microcontrolador y demás componentes que
conforman el sistema de medición de distancia ultrasónico. El regulador de
5v cuenta con un led de indicación para saber cuando esta alimentado el
equipo.
Figura 4.18 Circuito reguladores de voltaje de 3.3V y 5V
Fuente: Elaboración propia
En la figura 4.19 se muestra todas las partes que constituyen al
diseño del hardware de nuestro sistema de medición.
51
Figura 4.19 Circuito de completo del sistema.
Fuente: Elaboración propia
52
Etapa de diseño del software
Esta etapa consiste de la programación del microcontrolador para que
pueda funcionar como sistema inteligente y del software implementado para
la realización de cálculos e interfaz con el usuario.
1.
Descripción de formulas
El objetivo de este sistema es medir la longitud entre el sensor y un
determinado objeto tomando la
temperatura como base importante para
obtener el valor de dicha distancia, utilizando para ello un sensor LM 35 y dos
sensores ultrasónicos. Cada uno de ellos con su transmisor y receptor, que
basándose en el tiempo que tarda la señal en ir y regresar hasta un
obstáculo, a través de un eco, nos brinda una señal cuadrada variable que
se puede medir fácilmente con suficiente precisión y exactitud a través del
microcontrolador.
A continuación se presenta de manera detallada la teoría física
básica y la descripción de las formulas implementadas en los cálculos que se
necesitaron para el desarrollo del programa en el software que servirá para la
interfaz del usuario.
En primer lugar comenzará con la ecuación 4.1 que sirve para medir
la distancia d recorrida por un móvil donde esta presente la velocidad V y el
tiempo t.
d=
1
×V × T
2
EC 4.1
Cabe destacar que en esta formula el tiempo t es el periodo que
tarda en ir y regresar el eco por lo que es necesario dividir entre 2 para tomar
la distancia correcta.
53
Para la obtención de la velocidad, nuestros sensores ultrasónicos
tienen su formula propia de acuerdo a sus especificaciones técnicas en
función de la temperatura en grado centígrados, que se muestra a
continuación.
Velocidad
m
= 331,5 + (0,6 × Temp°C )
s
EC4.2
Como la velocidad del aire EC 4.2 viene expresada en función de la
temperatura se presenta a continuación la ecuación aplicada una vez
capturado este dato proveniente del LM 35 a través del microcontrolador.
VLM 35 =
10mV
× Temp[°C ]
°C
EC4.3
La ecuación 4.3 nos brinda el voltaje del LM 35 donde despejaremos
la Temp [°C] en las EC 4.4, 4.5, 4.6 mostradas a continuación.
Temp[°C ] =
Temp[°C ] = VLM 35 ×
V LM 35
10mV
°C
1 °C 10 3
×
×
10 mV 10 3
Temp[°C ] = V LM 35 × 100
EC4.4
EC4.5
EC4.6
La ecuación 4.6 nos brinda el valor de la temperatura, de forma que
al ser multiplicarlo por la EC 4.7 de nuestro convertidor analógico digital del
microcontrolador configurado a una resolución de 10 bits, nos dará la formula
final (EC 4.9) para obtener la temperatura captada por el LM 35.
Re solución =
V + − V − 5V − OV
5V
=
=
10
1024 − 1 1023
2 −1
54
EC4.7
En la ecuación 4.7. V+ y V- son voltaje de referencias configurados
para definir el rango del voltaje de entrada en el conversor analógico. En este
caso 5V y tierra (0V) que es nuestra alimentación.
Temp[°C ] = VLM 35 × 100 × Re solución
Temp[°C ] = VLM 35 ×
EC4.8
500
1023
EC4.9
Sustituyendo la EC 4.7 en 4.8 nos queda la ecuación 4.9 que se
implementara finalmente en nuestro software para calcular la temperatura del
LM35.
Con el valor de la temperatura en centígrados podemos calcular la
velocidad en m/s con la EC 4.2. La transformación de la velocidad de m/s a
cm/us es llevada en la EC 4.10.
m
1s
100cm
Velocidad m = × 6 ×
= Velocidad cm
s s 10 µs
µs
1m
EC 4.10
Ya con todas las variables en las unidades correspondientes se
procederá a la sustitución de los datos en la EC 4.11 que se implementa en
el software para el cálculo final de las distancias vista por cada sensor.
Dis tan cia cm =
Velocidad cm / µs × Tiempo (µs )
2
EC4.11
Para culminar se toma los valores de las 2 distancias y se determina
su valor promedio mostrando este último dato finalmente junto al valor de la
temperatura.
55
2.
Diagrama de flujo del código de programa
El código de programa fue realizado usando como soporte la
herramienta de programación PIC o CCS, orientada a la programación y
compilación para PICs que tiene como lenguaje de programación básico
lenguaje C. Si desea observar el código de programación utilizado para la
configuración del microcontrolador, ver el anexo 5.
A continuación se detallara los diferentes diagramas de flujo que
representan el código de programa.
El diagrama de la figura 4.20 consiste en el programa principal
ejecutado por el microcontrolador. Una vez recibida la señal de alimentación
o activación del sistema.
Figura 4.20 Diagrama de flujo del programa principal
Fuente: Elaboración propia
Internamente en el PIC se procederá a la configuración de los
puertos a utilizar y definición de las variables globales que se implementaran
56
a lo largo del programa, así como también la configuración del convertidor
analógico digital con la entrada del PIN A0 como analógica.
El timer 1 con oscilador interno y a preescaler 1:1. Esto nos ofrecerá
un tick de incremento del contador de 1us para un ciclo de reloj externo de
4Mhz. Seguidamente se habilita la interrupción por recepción de datos en
forma serial por el pin RC_7 y la interrupción global entrando seguidamente
en un ciclo de espera ante una activación de interrupción por RDA.
El diagrama 4.21 muestra la función de la interrupción por RDA o
recepción de datos en forma serial.
Figura 4.21 Diagrama de flujo de la interrupción por RDA
Fuente: Elaboración propia
57
Una vez que el usuario activa el software y envía una petición de
datos, se genera dicha interrupción en el microcontrolador, donde se captura
una variable guardada en comando y de acuerdo al caso se emite un
conjunto de instrucciones y llamadas a funciones para capturar las variables
de los dos sensores ultrasónicos y de temperatura respectivamente.
Cabe destacar en este diagrama de flujo visto anteriormente, se
puede observar además de las llamadas a funciones, la puesta en nivel alto
del pin BO que nos indica la recepción de un comando. Además
internamente dependiendo del comando también tenemos el pin B1 que nos
indica en nivel alto la captura de las variables de los sensores y la
transmisión de estas en forma serial hacia los modulos de radiofrecuencia
conectados en los pines del microcontrolador específicamente RC6 y RC7.
Finalmente una vez se haya ejecutado los comandos se colocan a
nivel bajo los pines B1 y B0 respectivamente además de la limpieza por
software de las bandera que se activan cuando se genera la interrupción
por RDA y así volver habilitar las interrupción global.
Para continuar tenemos los diagramas de las funciones cálculo de
distancia 1 y 2 (figura 4.22) que nos permiten captar la variable de los
sensores ultrasónicos mediante la técnica de medición del ancho de un pulso
cuadrado a través del timer_1 ambas idénticas en cuanto a su estructuras y
pasos, pero con variables de distintos nombres. Ya que por analogía
realizan las mismas iteraciones, las explicaremos ambas simultáneamente.
Al llamar esta función de cálculo de distancia se coloca en nivel bajo
tanto disparo eco_ 1 y 2 (pines A1 y A2 respectivamente) con una demora
58
de dos microsegundos, con el fin de garantizar un flanco de subida al
momento de iniciar el pulso de activación en los dos sensores ultrasónicos.
Figura 4.22 Diagramas de flujo para la captura del pulso variable de los sensores
ultrasónicos
Fuente: Elaboración propia
Seguidamente, se colocan a nivel alto durante 5 microsegundos y
luego a nivel bajo dando así la señal de activación. Como el sensor tiene un
pin que
automáticamente trabaja como entrada y luego como salida
debemos de programar al microcontrolador para que los pines A1 y A2
operen de igual forma según sea lo deseado.
Cuando
el
microcontrolador
envió
el
pulso
de
activación,
seguidamente coloca los pines A0- A3 a través de los registros internos de
configuración de puertos como entradas digitales y se queda esperando un
59
flanco de subida que es el inicio del pulso variable en función del eco que
mide la distancia dado por el sensor. En el momento de recibir este flanco
por los pines A1 y A2 respectivamente el microcontrolador coloca el timer_1
a cero y nuevamente se configura para esperar un flanco de bajada y en
ese instante capturar el valor del timer 1 que nos es más que el ancho en
microsegundos en que estuvo en nivel alto dicho pulso.
Seguidamente
el
programa
aplica
una
demora
de
200
microsegundos como garantía de tiempo entre medidas y coloca del puerto
A,
los pines
A1, A2 (variables
definidas
como Disparo_Eco_1
y
Disparo_Eco_2 en nuestras funciones) como salidas y luego a nivel bajo.
Otra función presente es Calc_temperatura del diagrama 4.23 que
se encarga de tomar el dato proveniente del LM 35 a través del PIN AO
configurado como analógico cuya variable aux_s lee el valor proveniente del
conversor analógico configurado previamente en el programa principal.
Figura 4.23 Diagrama de flujo para la captura de temperatura del LM 35 a
través del convertidor analógico digital
Fuente: Elaboración propia
Para culminar con los programas ejecutados en el microcontrolador
tenemos el Diagrama de Flujo 4.24 de la función transmitir_datos.
60
Figura 4.24 Diagrama de flujo para la transmisión de datos digito a digito
Fuente: Elaboración propia
Cada vez que se llama lleva internamente la variable ha ser
transmitida en dicha rutina. En esta función se cuenta con variables locales
de tipo entero, cuyo objetivo es saber el valor del dato que se va enviar,
descomponerlo en dígitos que van desde el mas significativo (d1) hasta el
menos significado (d5), a través de restas y sumas sucesivas. El proceso
comienza cuando se pregunta si el dato (aux) es mayor que cero, si se
cumple la condición se aplica una resta y se vuelve a preguntar. Si sigue
siendo mayor que cero se incrementa una variable, se vuelve a preguntar si
61
es un número positivo, de no ser así, se aplica una suma igual al valor
restado anteriormente y se comienza nuevamente el proceso.
De esta forma se sabrá cuanto vale la variable aux, enviar su valor
digito por digito del más significativo al menor de ellos, enviarlo serialmente a
los modulos de radiofrecuencias y estos al software para posteriores cálculos
con dichas variables.
3.
Control e Interfaz de usuario
Entrando en el manejo del software, este servirá como interfaz entre
usuario y el equipo de medición. En el mismo se realizarán los cálculos para
la obtención de las distancias en función de la temperatura, a través de las
ecuaciones desarrollados en este mismo capitulo. En la figura 4.25
muestra el desarrollado la programación gráfica.
Figura 4.25 Diagramas de programación gráfica software labview
Fuente: Elaboración propia
62
se
LabVIEW el software a implementado constituye un revolucionario
sistema
de
programación
gráfica
para
aplicaciones
que involucren
adquisición, control, análisis y presentación de datos.
Este entorno nos representa como es capturado cada uno de los
datos provenientes del microcontrolador, que llegan al computador a través
del puerto USB, donde LabVIEW a través de un entorno de comunicación por
medio de driver y programación de elementos gráficos, toma cada una de las
variables realizando la interfaz entre usuario y equipos.
Una vez con las variables de los sensores realiza las operaciones
matemáticas de las ecuaciones, para así obtener la distancia promedio de los
dos sensores y la temperatura. En la figura 4.26 se representa la
programación gráfica destinada a guardar un historial de los datos
recaudados que simultáneamente el simulador va realizando cada vez que
se pida alguna medición. Consta de un registro donde se especifican la fecha
y hora además de las variables.
Figura 4.26 Programación gráfica del historial de datos
Fuente: Elaboración propia
63
En cuanto a la interfaz con el usuario se mostrara en las figura 4.27
las pantallas donde se mostrara las medición en tiempo real y la tabla o
registro programado anteriormente en forma e instrumentos virtuales.
Figura 4.27 Interfaz del usuario Software LabVIEW
Fuente: Elaboración propia
64
Etapas de pruebas
1.
Corrida del programa en Software PIC C Compiler
Objetivo
•
Verificar la compilación del código que será programado en el
microcontrolador.
Para comprobar si el código del microcontrolador funcionaba, se hizo
a través del software de programación PIC C o CCS, realizando una corrida
del programa donde se constata que no existan errores en cuanto a lineas
de programación. En esta prueba se destacaron los elementos como el
programador que desarrollará las líneas de código en lenguaje C, el software,
el ordenador donde se ejecutara todas las simulaciones y pruebas. Todos
estos presentados en el diagrama de bloques de la figura 4.28
Figura 4.28 Elementos usados en verificación del programa del microcontrolador
Fuente: Elaboración propia
Resultados
Al tener el código ya establecido, de acuerdo al modelo y gama del
microcontrolador, la configuración de los periféricos, puertos y demás
elementos a implementar, se hizo las compilaciones necesarias generando
resultados positivos en cuanto a la sintaxis, sin ningún error en sus líneas de
65
código. A continuación se muestra la pantalla desplegada por el programa
(figura 4.29), donde nos indica la simulación completada con total éxito, de
tal forma que puede ser grabado en el microcontrolador, para el montaje del
hardware con todos los dispositivos que integran el sistema de medición.
Figura 4.29 Compilación del programa a implementar en el PIC 18f4550
Fuente: Elaboración propia
2.
Comunicación inalámbrica entre módulos de radiofrecuencia Xbee
Objetivo
•
Comprobar la transmisión/recepción inalámbrica entre el modulo
XBee ubicado en el modulo de campo y el ordenador.
Para asegurar el correcto funcionamiento de los módulos de
radiofrecuencia XBee, utilizamos el programa X-CTU, donde verificamos la
configuración de estos y el puerto del ordenador, establecimiento de
comunicación entre los módulos, comprobación de la transmisión/recepción
de datos en forma inalámbrica, la potencia y calidad de la transmisión, ya que
66
este programa cuenta con opciones donde se observarán cada uno de estos
aspectos.
Iniciamos presentando los elementos de esta prueba en la figura
4.30, como es el modulo XBee que va integrado en el modulo de campo
(medidor), que servirá al microcontrolador de interfaz de comunicación, para
enviar y recibir datos al ordenador. Seguidamente del lado del computador
estará el otro modulo RF XBee y el XBee Explorer USB para completar los
dispositivos. Adicionalmente tendremos el ordenador, y el software X-CTU.
Figura 4.30 Comunicación inalámbrica entre módulos Xbee y el computador
Fuente: Elaboración propia
Resultados
Una vez conectado cada uno de los módulos, con el ordenador y
abrimos el software Xctu donde se realizaron los siguientes pasos:
En la pestaña PC Setting, comenzamos a establecer la configuración
del puerto que se utilizará. Luego configurar baudios (9600 bps por defecto) y
data (8 bits por defecto) del puerto serie para que coincida con la del modulo.
67
Para chequear la correcta comunicación con el módulo, presionamos
Test/Query y el equipo devolverá el siguiente mensaje visto en la figura 4.31.
Figura 4.31 Comunicación óptima entre módulos RF Xbee y el ordenador
Fuente: Elaboración propia
Con el mensaje desplegado en la pantalla nos indica una
comunicación satisfactoria entre los XBee y el puerto USB del computador.
Una vez verificado la comunicación con el dispositivo, se procede a
verificar la configuración de los equipos tanto base como remoto en la
pestaña Modem Configuration (siguiente figura 4.32). Esta sección de
configuración brinda diferentes opciones para que el usuario pueda ajustar el
equipo a las necesidades requeridas. En este caso para configurar los
equipos “por defecto” lo que se hace es presionar el botón Restore y luego
Write para que el firmware quede apropiadamente establecido en los XBee.
68
Figura 4.32 Verificación de la configuración de los módulos base y remoto
Fuente: Elaboración propia
Ya en esta etapa, solo nos queda verificar la transmisión/recepción
de datos aplicando una conexión de prueba a distancia uniendo los pines 2
y 3 (Tx y Rx respectivamente) en el modulo XBee preestablecido como
remoto. Con el software seleccionamos la pestaña Range Test mostrada en
la figura 4.33.
Figura 4.33 Transmisión/recepción exitosa y Potencia señal RF optima
Fuente: Elaboración propia
69
En la pantalla anterior, adicionalmente elegimos la opción para
visualizar el RSSI (medida de la potencia de la señal de RF recibida). Al
presionar START el equipo comienza a transmitir una trama de datos con
caracteres alfanuméricos. En la figura también se muestra una completa
recepción de los paquetes emitidos, así como un buen nivel de señal RF
(RSSI). Cada unas de estas etapas durante esta prueba nos asegura una
comunicación inalámbrica exitosa.
3.
Comunicación inalámbrica entre medidor de campo y ordenador
Objetivo
• Verificar el funcionamiento del hardware a través del envío por
radiofrecuencia de las variables captadas por el modulo de campo hasta el
computador.
Para esta prueba las simulaciones en el software proteus no se
pudieron llevar a cabo, debido que no se encuentran en sus librerias de
componentes tanto los sensores de
distancia, como los módulos de
radiofrecuencia XBee. Adicionalmente los dispositivos ultrasónicos funcionan
como entrada y seguidamente como salida, por lo tanto, no se podían enviar
los datos en forma de pulso a través de pulsadores como factible forma de
comprobación. Debido a esto una de las maneras de comprobar el
funcionamiento fue realizando el montaje en hardware y enviando los datos
del microcontrolador al computador recibiéndolo en software como el
hiperminal o el software X-CTU del equipo por radiofrecuencia. En
prueba participa los siguientes elementos mostrados en la figura 4.34.
70
esta
Figura 4.34 Comunicación inalámbrica entre modulo de campo y el computador
Fuente: Elaboración propia
Resultados
A continuación se observa en la figura 4.35 los 15 dígitos
correspondientes a las variables que nos permitirán realizar posteriores
cálculos en el software LabVIEW en donde los 5 primeros de izquierda a
derecha desde el mas significativo al menos significativo son del valor del
eco en microsegundos del primer sensor, los cinco siguientes viéndolos de
igual forma son los del sensor numero dos y los cinco últimos pertenecen a la
variable temperatura del LM 35. Con esto se comprobó el funcionamiento de
la programación y hardware de una vez en forma inalámbrica.
Figura 4.35 Recepción de datos en el computador por hiperterminal
Fuente: Elaboración propia
71
Una vez verificado el buen funcionamiento del hardware con la
llegada de datos al hiperterminal de los sensores. Se podrá verificar
nuevamente la transmisión y recepción inalámbrica de datos entre
microcontrolador y el computador capturada por los sensores de distancia y
temperatura.
En la figura 4.36. Se verá la trasmisión de datos del computador hacia
el modulo en color azul, que por programación en el microcontrolador
establecimos los números uno, dos y tres como petición del usuario para
capturar las viables de los tres sensores en un momento dado. Los datos
recibidos en color rojo, son los que vienen del microcontrolador al ordenador
cumpliendo así con una comunicación eficiente de las variables destinadas a
la obtención de las distancias.
Figura 4.36 Transmisión y Recepción de datos en forma inalámbrica
Fuente: Elaboración propia
Nuevamente es verificada y asegurada la comunicación
entre
computador y modulo de medición, con el excelente envío de las variables
inalambricamente.
72
4.
Interfaz de Usuario con el Software LabVIEW
Objetivo
•
Comprobar la simulación y los cálculos desarrollados con las
variables captadas por los sensores.
La interfaz del usuario, será el entorno donde se solicitará los datos,
realizará los cálculos con la información proveniente de los sensores, y se
observará los datos de las mediciones, Todo esto con los siguientes
elementos de la figura 4.37.
Figura 4.37 Elementos presentes en la interfaz de usuario
Fuente: Elaboración propia
Resultados
La manera de constatar el éxito de esta interfaz de usuario, es una
vez se muestran las pantallas en el software LabVIEW, como las
representadas en la figura 4.27 generadas bajo cierto protocolo e
comunicación. Dichas pantallas nos brindan la seguridad en forma certera el
buen registro y representación de datos, la compilación de la programación
basada en lenguaje gráfico, que al mismo tiempo nos asegura el manejo de
las variables provenientes de los sensores.
En cuanto a los valores de los cálculos realizados en este programa,
pueden ser comprobados aplicando las formulas detalladas en este capitulo
en la etapa de software. Otra manera que posteriormente llevaremos a cabo,
73
será por medio de la validación experimental, tomando datos del software de
las distancias y comparándola con un valor teórico tomado por un
instrumento patrón. Así de esta forma se certifican los cálculos expresados
en las pantallas y el rango de medición del sistema.
Por ultimo presentaremos la figura 4.38
indicando la forma o el
protocolo llevado a cabo por el software LabVIEW, para enviar y recibir los
datos desde el ordenador en forma satisfactoria.
Figura 4.38 Protocolo de Software LabVIEW de interfaz de usuario
Fuente: Elaboración propia
Este protocolo nos indica como el programa labView desarrolló el
envío y recepción de cada una de las tramas para la comunicación entre el
ordenador y el medidor de campo para la obtención de cada uno de las
variables, con las que se obtienen los resultados.
Cuando
el
usuario
inicia
la
compilación
del
programa,
automáticamente por el ordenador se envía la trama I (una cifra) solicitando
74
un primer dato, seguidamente el medidor de campo envía la trama II (cinco
cifras) al ordenador con el resultado de esa solicitud que se lleva a la pantalla
de interfaz de usuario, y así sucesivamente hasta que se envío la última
trama VI, donde nuevamente se inicia el ciclo. Por parte del software también
se genera un mensaje de error al momento de una mala comunicación o
medición fuera de alcance brindando así datos al usuario en forma segura.
A continuación en la tabla 4.4, se presenta el listado de todos los
componentes usados para el desarrollo del sistema de medición de distancia.
Tabla 4.4 Listado de Componentes
Componente
Cantidad
Módulos Rf Xbee
2
Xbee Explorer Usb
1
PIC 18f4550
2
Base de 40 pines
1
PING #28015
2
Cristal de 4 MHZ
1
Condesadores de 22 pf
2
Potenciómetros de precisión 5K ohm
3
Led de alto brillo Azul
3
Resistencias de 220 ohm
2
Resistencias de 1k ohm
4
Reguladores LM 317
2
Sensor de temperatura LM 35
1
pulsador
1
Batería de 9v
1
Conector de batería 9 v
1
Fuente: Elaboración propia
75
Adicionalmente en el anexo 6 como parte final, se encuentra el
circuito impreso utilizado y las imágenes del sistema de medición ya armado.
Validación experimental
La verificación experimental de la pruebas consiste en probar el
correcto funcionamiento del dispositivo de forma global y autentica.
La medición de distancia se realizo colocando un objeto en reposo a
ciertas distancias del sensor, previamente medidas con un metro de
construcción de 5 metros (instrumentos o patrón). Los datos relevantes para
globalizar los resultados, fueron llevados a cabo en la tabla 4.5 donde se
presenta el valor teórico, el valor experimental, el error absoluto y el error de
fondo de escala cuya formula se observa en la EC4.12.
E FE =
Ea
× 100
FE (330,00cm)
EC4.12
Tabla 4.5 Datos teóricos y Experimentales
arrojados por el Medidor ultrasónico, contra un
objeto en reposo
Valor Teórico
(Instrumento
Patrón) [cm]
Valor
Experimental
(Medidor de
Distancia)
[cm]
Error
Absoluto
(Ea) [cm]
Error
Fondo
Escala (FE)
[%]
3,10
6,00
8,00
12,00
16,00
23,00
28,00
33,00
39,00
3,13
6,08
8,04
12,03
16,12
23,10
28,03
33,12
39,05
0,03
0,08
0,04
0,03
0,12
0,10
0,03
0,12
0,05
0,01
0,02
0,01
0,01
0,04
0,03
0,01
0,04
0,02
76
Tabla 4.5 Datos teóricos y Experimentales
arrojados por el Medidor ultrasónico, contra un
objeto en reposo(Continuación)
Valor Teórico
(Instrumento
Patrón) [cm]
45,00
49,00
56,00
68,00
79,00
88,00
97,00
106,00
119,00
128,00
137,00
152,00
170,00
189,00
193,00
207,00
215,00
230,00
245,00
259,00
276,00
283,00
301,00
307,00
313,00
321,00
329,00
En la tabla 4.6
Valor
Experimental
Error
(Medidor de
Absoluto
Distancia)
(Ea) [cm]
[cm]
45,01
0,01
49,02
0,02
56,02
0,02
68,15
0,15
79,08
0,08
88,10
0,10
98,12
1,12
106,08
0,08
119,32
0,32
128,06
0,06
137,15
0,15
152,09
0,09
171,09
1,09
189,04
0,04
193,10
0,10
207,30
0,30
216,13
1,13
230,59
0,59
246,20
1,20
260,03
1,03
276,69
0,69
284,12
1,12
302,03
1,03
308,20
1,20
313,90
0,90
321,92
0,92
329,79
0,79
Fuente: Elaboración propia
Error
Fondo
Escala (FE)
[%]
0,00
0,01
0,01
0,05
0,02
0,03
0,34
0,02
0,10
0,02
0,05
0,03
0,33
0,01
0,03
0,09
0,34
0,18
0,36
0,31
0,21
0,34
0,31
0,36
0,27
0,28
0,24
se muestra una comparación entre los valores
arrojados por el dispositivo ultrasónico y los valores teóricos de las
mediciones.
Continuando en la figura 4.39 se muestra la gráfica del error fondo de
escala con respecto a más de 30 muestras de mediciones que se tomaron
77
para este experimento.
0,50
0,45
0,40
Error FE (%)
0,35
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
3,
13
6,
08
8,
0
12 4
,0
3
16
,1
2
23
,1
0
28
,0
3
33
,1
2
39
,0
45 5
,0
1
49
,0
2
56
,0
2
68
,1
5
79
,0
8
88
,1
98 0
,1
10 2
6,
0
11 8
9,
3
12 2
8,
0
13 6
7,
15
15
2,
17 0 9
1,
0
18 9
9,
0
19 4
3,
1
20 0
7,
30
21
6,
1
23 3
0,
5
24 9
6,
2
26 0
0,
0
27 3
6,
6
28 9
4,
1
30 2
2,
0
30 3
8,
2
31 0
3,
9
32 0
1,
92
32
9,
79
0,00
Valor Real de Medición
Figura 4.39 Gráfica Error (FE) VS Valor de las distancias arrojadas por el sistema de
medición
Fuente: Elaboración propia
Se puede apreciar a través de ella, que los valores desde 3,13 cm a
os 88,10 cm no supero los 0,03 %, mientras que a partir de allí en su mayoría
no supero los 0,36 %. Los errores del sistema de medida son aceptables
porque con el error fondo escala nos aseguramos que dentro del rango de
medición del instrumento 3- 330 cm, la precisión será de + 0,41 cm de error
promedio a la temperatura existente en ese instante.
Con la grafica 4.40 se observa la comparación entre los valores
tomados por el instrumento patrón y el medidor de distancia, destacando la
tendencia a ser lineal, lo que indica bajos valores del error absoluto que nos
son mas que el margen
entre
el valor verdadero y el valor sensado
indicándonos su precisión.
78
350,00
Valor Teorico
300,00
250,00
200,00
150,00
100,00
50,00
3,
13
8,
04
16
,1
2
28
,0
3
39
,0
5
49
,0
2
68
,1
5
88
,1
10 0
6,
0
12 8
8,
0
15 6
2,
0
18 9
9,
0
20 4
7,
3
23 0
0,
5
26 9
0,
0
28 3
4,
1
30 2
8,
2
32 0
1,
92
0,00
Valores Medidor
Figura 4.40 Gráfica Valor Teórico VS Valor de las distancias arrojadas por el sistema
de medición
Fuente: Elaboración propia
Finalmente nos asegura la precisión del instrumento, notando la
aceptabilidad de los valores arrojados tomando en cuenta las características
técnicas de los sensores sobre todo su ángulo de emisión.
79
Análisis de los resultados
En esta investigación se implemento el uso de señales ultrasónicas,
transmisión de datos por radiofrecuencias, para poder calcular las distancias
a la que se encuentra un objeto del sistema de medición, tomando en cuenta
condiciones ambientales como la temperatura en ese instante. Durante las
etapas de estudio, donde se planifico este proyecto, se busco conseguir y
adquirir los componentes que mas se adaptaron y brindaron las mejores
características, para alcanzar la construcción progresiva del sistema de
medición.
Uno de los componentes seleccionado fue el transductor PING
#28015 de parallax, debido a que fue el que mejor se adapto a nuestro
sistema. De igual forma se encontraba disponibles en casas de ventas de
dispositivos y componentes electrónicos. Otro aspecto muy en cuenta al
elegirlo, fue que el mismo contaba con una etapa control acoplado a los
transductores
internamente,
cosa
que
facilito
al
usuario
ahorrarse
componentes en la amplificación de las señales analógicas generadas por
los transductores. Por lo que el funcionamiento y los resultados en la
obtención del eco en cada una de las mediciones, son aceptables y muy
cercanos a los medidos por instrumento patrón.
De igual forma para la comunicación inalámbrica después de
investigar diversos módulos y sus características, la elección de los módulos
XBee junto al XBee Explorer USB, radico primero en la versatibilidad de
estos modem y la amplia funcionalidad que poseen, la disponibilidad en el
mercado, debido a que hoy en día, el ubicar estos dispositivos a nivel
nacional resulta difícil y mas que se adapten a nuestro sistema de medición
planteado en nuestro proyecto. Se puede decir que la configuración y
80
transmisión entre estos dispositivos es óptima, sin interferencia, ruidos o
errores de trama durante el envío/recepción de datos.
Los componentes mencionados, así como otros, entre estos, el
sensor de temperatura LM 35, fueron integrados y controlados con un
excelente microcontrolador. El PIC18f4550, enviando satisfactoriamente
datos al ordenador, sin ningún tipo de errores o problemas de
envío y
recepción logrando capturar satisfactoriamente las variables desde cada uno
de los sensores utilizados.
La aplicación de software como PIC C Compiler, X-CTU, y LabVIEW,
resultaron ser buenas herramientas para corroborar el funcionamiento desde
la programación en lenguaje C grabada en el microcontrolador, comunicación
inalámbrica entre los módulos XBee, así como todos los cálculos y la interfaz
del usuario que a través del computador, tenia total control del sistema de
medición sin contacto manejado a distancia.
Durante el periodo de pruebas se pudo comparar los resultados
arrojados por el dispositivo ultrasónico y los valores teóricos, se observaron
muchas similitudes entre ambos métodos. Luego de analizar las mediciones
el margen de error máximo de fondo de escala fue de 0,36%, lo que quiere
decir que los resultados del sistema son muy aceptables.
Después de hacer el estudio se llegó a la conclusión, como
instrumento
de
medición
de
distancia
cuenta
características:
•
Rango de medición 3-330 cm.
•
Alimentado por Batería de 9V.
•
Alta movilidad (Equipo Portátil e Inalámbrico).
81
con
las
siguientes
•
Moderno al ser manejado por computador.
•
Facilidad de Integrarse a otros procesos.
•
Preciso (Valores aceptables Error Fondo de escala).
•
Excelente interfaz con el usuario y versatibilidad para ser modificado
en cuanto a visualización.
En cuanto al estudio de factibilidad, esta sirve para recopilar datos
relevantes sobre el desarrollo de un proyecto y en base a ello tomar la mejor
decisión, si procede su estudio, desarrollo o implementación.
La factibilidad económica evalúa si el equipo y software están
disponibles (o en el caso del software si puede desarrollarse) y si tienen las
capacidades técnicas requeridas por cada alternativa del diseño que se esté
considerando.
En vista que se trata de un proyecto práctico y con fines académicos,
solo se abarcará el análisis del costo del hardware, determinándose un
precio
total para la adquisición del equipo, que cubra el costo final del
equipo, sin considerar la realización del software y la mano de obra.
A continuación en la tabla 4.6 se presenta el listado de componentes
con sus respectivos precios en el mercado.
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Tabla 4.6 Listado de Costos por Componentes
Precio Unitario
Componente
Bsf
Cantidad
Costo Total
Bsf
Módulos Rf XBee
215
2
430,00
XBee Explorer USB
200
1
200,00
PIC 18f4550
60
1
60,00
Base de 40 pines
10
1
10,00
PING #28015
290
2
580,00
Cristal de 4 MHZ
5
1
5,00
Condesadores de 22 pf
3
2
6,00
5
3
15,00
Led de alto brillo Azul
4
3
12,00
Resistencias de 220 ohm
1
2
2,00
Resistencias de 1k ohm
1
4
4,00
Reguladores LM 317
15
2
30,00
Sensor de temperatura LM 35
35
1
35,00
pulsador
7
1
7,00
Batería de 9v
16
1
16,00
Conector de batería 9 v
12
1
12,00
Potenciómetros de precisión
5K ohm
Total
1424,00
Fuente: Elaboración propia, 20/02/2010
El costo total del equipo es de 1424,00 bsf.
De forma global se puede decir que el sistema de medición basado
en ultrasonidos desarrollado cumplió con las expectativas deseadas,
arrojando resultados bastante buenos.
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