diseño e implementación de un sistema para proyección de

UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
La Universidad Técnica Particular de Loja
ESCUELA DE ELECTRÓNICA Y
TELECOMUNICACIONES
MODALIDAD ABIERTA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA
PARA PROYECCIÓN DE IMÁGENES
ESTROBOSCÓPICAS BASADAS
EN TECNOLOGÍA LED
TESIS DE GRADO PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
AUTOR:
JIMÉNEZ MIRANDA STALIN DAVID
DIRECTOR:
ING. MANUEL QUIÑONES
CENTRO UNIVERSITARIO
LOJA
2009
CERTIFICACIÓN
Loja, 5 de Agosto del 2009
Ing. Manuel Quiñones
DOCENTE DE LA CARRERA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES DE
LA UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
CERTIFICA:
Que la tesis titulada “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA PARA
PROYECCIÓN
DE
IMÁGENES
ESTROBOSCÓPICAS
BASADAS
EN
TECNOLOGÍA LED” presentada por el señor profesional en formación Stalin David
Jiménez Miranda, cumple con los requisitos metodológicos y con los aspectos de
forma y fondo exigidos en las normas generales previstas en la obtención de Título
de Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones, vigentes en la Universidad
Técnica Particular de Loja y de manera especial en la Escuela de Electrónica y
Telecomunicaciones, por lo que luego de haberla revisado minuciosamente,
autorizo su presentación, sustentación y defensa.
Ing. Manuel Quiñones.
DIRECTOR DE TESIS
CESIÓN DE DERECHO
Yo, Stalin David Jiménez Miranda declaro conocer y aceptar la disposición del Art.
67 del Estatuto Orgánico de la Universidad Técnica Particular de Loja que en su
parte pertinente textualmente dice: “Forman parte del patrimonio de la universidad
la propiedad intelectual de investigaciones, trabajos científicos o técnicos y tesis de
grado que se realicen a través, o con el apoyo financiero, académico o institucional
(operativo) de la Universidad”
F……………………..
Autor
DEDICATORIA
Para mis padres, Isabel y Alcívar, por su incondicional apoyo a largo de mi vida.
Para Alejandro, Didi y Monserrath, por todos los momentos que juntos hemos
compartido.
Para las mentes inventivas e inquietas, porque sus locas ideas permiten hacer de
este mundo un mejor lugar para vivir.
AGRADECIMIENTOS
A Carlos Carrión y Manuel Quiñones por ser quienes me invitaron a entrar en el
maravilloso mundo de los chips.
A Jorge Luis Jaramillo por enseñar a las mentes jóvenes –especialmente la mía-,
a observar el mundo de una manera distinta.
A todas aquellas personas que desinteresadamente comparten sus conocimientos,
y, permiten hacer de la INTERNET una fuente de inspiración.
INTRODUCCIÓN
Los avances en la ciencia no se deben precisamente al descubrimiento de
nuevos fenómenos, sino también a un análisis en conjunto de varios fenómenos ya
conocidos. En el contexto de este trabajo se pretende presentar una óptica distinta
del efecto estroboscópico ampliamente aplicado en el cine.
Si fusionamos conceptos estroboscópicos, persistencia retiniana, y, le
añadimos plataformas giratorias, se pueden conseguir efectos visuales similares a
los hologramas. Este es el concepto básico del funcionamiento de los proyectores
estroboscópicos, cuya construcción data de los años 90 del siglo anterior, y, que
debido a la ausencia de un tratamiento técnico, sigue en manos de hobbystas y
aficionados.
Esta investigación tiene como objetivo desarrollar un modelo matemático
que traduzca a ecuaciones los aspectos que permiten el funcionamiento de un
proyector estroboscópico, diseñar todos los elementos de hardware y de software,
y, construir un prototipo funcional del proyector de imágenes estroboscópicas.
OBJETIVO GENERAL Y OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Objetivo General
Diseñar e implementar un sistema de visualización de mensajes escritos,
mediante
el
uso
de
tecnología
led
monocromática,
sistemas
microprocesados y conceptos de estroboscopia.
Objetivos específicos
Analizar matemáticamente el efecto de estroboscopia, y, las características
de velocidad de rotación del sistema.
Construir un sistema mecánico equilibrado y estable.
Seleccionar un sistema de alimentación óptimo para la etapa electrónica del
sistema.
Diseñar los algoritmos necesarios para el despliegue de mensajes escritos,
mediante el uso de tecnología led monocromática.
Diseñar un editor de mensajes personalizados que se ejecute sobre una
plataforma Windows.
CONTENIDO
Capítulo I: Generalidades sobre estroboscopia
1.1
Efecto estroboscópico…………………………………………………………. 01
1.2
Estroboscopio…………………………………………………………………...02
1.3
Persistencia de la visión………………………………………………………. 03
1.4
Aplicaciones del efecto estroboscópico y persistencia de la visión……… 03
1.4.1 Disco de colores………………………………………………………..03
1.4.2 Peonza deslumbrante………………………………………………… 04
1.4.3 Taumátropo……………………………………………………………..04
1.4.4 Zoótropo………………………………………………………………... 05
1.4.5 Imágenes a alta velocidad……………………………………………. 05
1.4.6 El estroboscopio en la industria……………………………………… 06
1.4.7 El estroboscopio en la industria cinematográfica............................07
Capítulo II: Modelamiento matemático del proyector de imágenes
estroboscópicas
2.1
Idea básica del sistema a desarrollar...............……………………………. 08
2.2
Análisis matemático del sistema……………………………………….……. 09
2.2.1 Delimitación del modelo…………………………………………..…. 09
2.2.2 Análisis matemático de los parámetros geométricos de las
celdas de caracteres.................................…………..…………….. 09
2.2.3 Análisis matemático de los parámetros de caracteres……….…... 12
2.2.4 Cálculo del período de rotación del motor..................……….…... 14
2.2.4 Modelo matemático del sistema integrado..................……….…... 15
Capítulo III: Diseño e implementación de hardware y software del
proyector estroboscópico
3.1
Generalidades del diseño ……………………………………………………..16
3.2
Diseño del componente hardware…………………………….……...……...16
3.2.1 Diseño del subcomponente mecánico………………..……………..16
3.2.2 Diseño del subcomponente electrónico…….............……………....17
3.3
Diseño del subcomponente software………………………………………...18
3.4
Implementación del proyector estroboscópico……………………………...20
3.5
Fase de pruebas del proyector ...…………………………………………..... 21
Capítulo IV: Conclusiones y recomendaciones
4.1
Conclusiones…………………………………………………………………… 24
4.2
Recomendaciones…………………………………………….……………….. 24
BIBLIORAFÍA……………………………………………………………………….….. 26
ANEXOS………..……………………………………………………………………….. 27
LISTA DE FIGURAS
Figura I.1 Objeto en distintos estados……………………………………………….. 01
Figura I.2 Estroboscopio comercial de mano………………………………………. 02
Figura I.3 Disco de colores…………………………………………………………….03
Figura I.4 Peonza en dos estados…………………………………………………… 04
Figura I.5 Estructura del taumátropo………………………………………………… 04
Figura I.6 Zoótropo…………………………………………………………………….. 05
Figura I.7 Fotografía de alta velocidad………………………………………………. 06
Figura I.8 Estroboscopio en funcionamiento……………………………………….. 06
Figura I.9 Dispositivos claves en cinematografía……..…………………………… 07
Figura II.1 Esquema del proyector de imágenes estroboscópicas............…........08
Figura II.2 Diagrama de bloques del proyector estroboscópico…………………. 09
Figura II.3 Esquema de los planos de giro y de visualización...............................10
Figura II.4 Geometría del proyector......…………………………………………….. 11
Figura II.5 Representación gráfica de la tabla II.1…………………………………. 12
Figura II.6 Caracter pixelado …………………………………………………………13
Figura II.7 Conceptualización de la magnitud tiempo……………………………...14
Figura III.1 Diagrama de bloques del componente hardware........................…....16
Figura III.2 Esquema del subcomponente mecánico........………………………...17
Figura III.3 Estructura de la etapa electrónica......................………….…………...17
Figura III.4 Algoritmo de gestión de escritura de mensajes en calidad
estroboscópica….........................…………………………...…………..19
Figura III.5 Proyector como prototipo de prueba............…………..………............20
Figura III.6 Modelo definitivo del proyector.............................................................21
Figura III.7 Editor de mensajes personalizados......................................................22
Figura III.8 Proyector de imágenes estroboscópicas en funcionamiento..............23
LISTA DE TABLAS
Tabla II.1 Evaluación numérica de la ecuación II.6………………………………… 12
Tabla III.1 Especificaciones nominales del motor YZF10-20-26....…...…….…… 17
Tabla III.2 Especificaciones del proyector.......................................……………… 23
CAPITULO I
Generalidades sobre estroboscopia
En este capítulo se describen las bases teóricas que explican la mecánica
del funcionamiento de un proyector de imágenes estroboscópicas. El estudio
conceptual incluye los diferentes términos y mecanismos empleados dentro de la
estroboscopia, y, está dirigido en particular a objetos que se mueven con un
movimiento de rotación.
1.1
Efecto estroboscópico
Un sinnúmero de dispositivos que observamos a nuestro alrededor, y que
facilitan la vida del ser humano, incluyen como parte fundamental, en sus
respectivos sistemas, algunos elementos que hacen uso del efecto estroboscópico.
La estroboscopia es un fenómeno de naturaleza óptica que sucede cuando se
superponen dos sucesos periódicos en fase ó sólo ligeramente desfasados. El
efecto estroboscópico se explica porque nuestra visión captura fragmentos de un
movimiento completo y los retiene por una fracción de segundo por lo que, en
condiciones especiales como cuando un flash lumínico incide sobre un cuerpo, el
objeto puede ser observado ó bien moviéndose lentamente ó bien inmóvil.
(a)
(b)
Figura I.1 Objeto en distintos estados: a) congelado b) lento movimiento
Elaborado por el autor
En la figura I.1 se explica el efecto estroboscópico. En la figura I.1 (a) se
muestra como la sincronización entre una luz parpadeante y la frecuencia con que
el cuerpo pasa por un determinado punto, ocasiona que el objeto luzca
aparentemente inmóvil. En la figura I.1 (b) se ilustra como una frecuencia del
destello de la luz, ligeramente distinta al valor de la frecuencia con que se mueve el
objeto, muestra al cuerpo en lento movimiento.
1.2
Estroboscopio
Para conseguir el efecto estroboscópico se utiliza un estroboscopio o
simplemente strobe. El estroboscopio facilita el estudio de las fases del movimiento
de un objeto, ya que permite apreciar el cuerpo como si estuviese detenido o
moviéndose muy lentamente.
Un estroboscopio está constituido por un emisor de luz. Como emisor de luz
puede utilizarse, ya sea una lámpara de descarga gaseosa de xenón, muy parecida
a las utilizadas en los flashes de las cámaras fotográficas, ó un conjunto de leds
blancos de alto brillo. Adicionalmente un estroboscopio dispone de un sistema de
regulación de frecuencia, con el cual se controla el tiempo de destello. En la
figura I.2 se muestra un estroboscopio comercial de mano [1].
Figura I.2 Estroboscopio comercial de mano
Fuente: http://www.pce-iberica.es/medidor-detalles-tecnicos/images/estroboscopio-led-pce-oml-25.jpg
[Consulta: 02-08-2009]
La
luz
empleada
por
el
estroboscopio
es
conocida
como
luz
estroboscópica. Si el intervalo de sucesión luminosidad-obscuridad es de valor
igual o cercano al período de revolución del objeto en movimiento circular uniforme,
entonces se crea la ilusión óptica de enlentecimiento.
1.3
Persistencia de la visión
La persistencia de la visión o persistencia de las impresiones retinianas fue
establecida por el físico Joseph Plateau, y, consiste en que la retina, es decir la
porción del ojo humano que es sensible a la luz, retenga la imagen por un cierto
período de tiempo. Un ejemplo común es cuando alguien toma una fotografía, e
instantes después la persona fotografiada sigue viendo el punto blanco del flash [2].
El máximo tiempo de retención es cercano a una décima de segundo, lo que implica
una tasa de actualización de alrededor de 10 cuadros por segundo. Si la imagen
cambia a una tasa más lenta que esa, entonces el ser humano puede distinguir la
alternancia entre la presentación de una imagen y la ausencia de ella. Cuando la
luz es intensa el proceso es mayor. Por ello las salas de cine están a oscuras, ya
que la retina se adapta a la oscuridad, y la luminosidad de la pantalla hace que la
persistencia aumente. La medición de la persistencia de la visión ha proporcionado
resultados que van desde 1/10 hasta 1/40 partes de segundo, dependiendo de las
características del sistema visual de cada persona. La percepción de la
alternabilidad en la presentación de imágenes secuenciales varía ampliamente en
función de variadas condiciones como: la luminancia del área, el color del área, el
ángulo de visión, y, sobre todo las características del ojo del observador [3].
1.4
Aplicaciones del efecto estroboscópico y persistencia de la visión
1.4.1 Disco de colores
El primer juguete estroboscópico, del que se tiene conocimiento, es el disco
de colores, creado en 1666 por Isaac Newton, que permitió confirmar la teoría
newtoniana de la naturaleza de la luz blanca.
Figura I.3 Disco de colores
Fuente: http://diselabia.files.wordpress.com/2008/06/ft_actividades_041.jpg
[Consulta: 02-08-2009]
1.4.2 Peonza deslumbrante
La peonza deslumbrante fue desarrollada por el francés Jean Antoine
Nollet con fines de entretenimiento. El artilugio se compone de una varilla
moldeada que representa la mitad de la silueta de un objeto alrededor de su eje de
rotación. Al rotar la varilla se obtiene la representación volumétrica del objeto.
(a)
(b)
Figura I.4 Peonza en dos estados: a) reposo b) movimiento
Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Museo_de_Ciencias_de_Caracas
[Consulta: 02-08-2009]
1.4.3 Taumátropo
El taumátropo fue desarrollado por John Ayrton, en Paris, en 1824.
Consiste en un disco con imágenes a ambos lados, y, un par de cuerdas en dos
puntos diametralmente opuestos. Cuando el disco gira aparece un efecto de
superposición de imágenes debido a la persistencia retiniana [4].
Figura I.5 Estructura del taumátropo
Fuente: http://www.ilusionario.es/APLICACIONES/taumatropo.jpg
[Consulta: 02-08-2009]
1.4.4 Zoótropo
El zoótropo fue desarrollado en 1834 por el matemático inglés William
Horner. El invento está basado en el mismo esquema del fenakistiscopio pero
difiere en el uso de un contenedor con forma de tambor sin tapa. El contorno del
tambor posee un conjunto de ranuras espaciadas a igual distancia, y, que permiten
observar animaciones directamente en el interior del contenedor. La sucesión de las
imágenes impresas en cintas de papel, y ligeramente diferentes entre sí, produce la
ilusión del movimiento de las imágenes.
Figura I.6 Zoótropo
Fuente: http://cineojo.files.wordpress.com/2007/09/zootropo.jpg
[Consulta: 02-08-2009]
1.4.5 Imágenes de alta velocidad
Los principios del estroboscopio permiten la fotografía de cuerpos
moviéndose a alta velocidad, como por ejemplo un colibrí en pleno vuelo ó una bala
en movimiento. Para conseguir tales fotografías existen dos alternativas. Por un
lado se puede elegir el empleo de un obturador que tenga una velocidad suficiente
para congelar el objeto en movimiento. Por otro lado, existe la opción de utilizar un
obturador normal en conjunto con una luz estroboscópica. Son conocidas las
imágenes de balas perforando manzanas, rompiendo naipes, atravesando
bombillos, etc, todas ellas obtenidas con estroboscopía.
Figura I.7 Fotografía de alta velocidad
Fuente: http://haciendofotos.com/wp-content/uploads/bullet-apple-s.jpg
[Consulta: 02-08-2009]
1.4.6 El estroboscopio en la industria
En la industria, el estroboscopio tiene múltiples usos. Se lo utiliza para
observar las aspas de ventiladores en movimiento y comprobar a qué velocidad
giran exactamente. Se lo emplea para el estudio de maquinaria en movimiento, ya
que permite la medición de la rapidez de giro sin necesidad de realizar
acoplamientos mecánicos o eléctricos entre el sistema de medición y el objeto a ser
medido [5].
Figura I.8 Estroboscopio en funcionamiento
http://www.pce-iberica.es/medidor-detalles-tecnicos/images/estroboscopio-led-pce-oml-25-uso.jpg
[Consulta: 02-08-2009]
1.4.7 El estroboscopio en la industria cinematográfica
El cine es resultado de la combinación de la persistencia de la visión y del
movimiento rápido de una serie de fotogramas impresos sobre una cinta, pasados a
través de un proyector [6].
El aparato con que se realiza la filmación de películas se conoce como
cinematógrafo. El cinematógrafo registra fotogramas de una imagen con una tasa
de captura de 24 fotogramas por segundo, lo que produce fotogramas apenas
distintos entre si. Proyector se denomina al equipo que efectúa la proyección de la
película. La proyección de los fotogramas se realiza con tal rapidez, que el ojo
humano no puede detectar la sucesión de los mismos.
(a)
(b)
Figura I.9 Dispositivos claves en cinematografía: a) Cinematógrafo b) Proyector
Fuente: http://books.google.com.ec/books?id=YcPvV893aXgC&printsec=frontcover#PPA1005,M1
[Consulta: 02-08-2009]
CAPITULO II
Modelamiento matemático del proyector de imágenes estroboscópicas
En este capítulo se describe matemáticamente los conceptos de
estroboscopía que se aplican al diseño del sistema que se ha propuesto
implementar.
2.1
Idea básica del sistema a desarrollar
El sistema a desarrollar ha sido concebido como una adaptación del
zoótropo. Consta de una plataforma giratoria que describe un movimiento circular
uniforme, en el borde de la cual se coloca una barra de diodos led. Los leds
permitirán visualizar caracteres en una sucesión y frecuencia determinadas,
creando la sensación de mensajes escritos en letras mayúsculas pertenecientes al
alfabeto latino. Un esquema del sistema propuesto se presenta en la figura II.1.
Figura II.1 Esquema del proyector de imágenes estroboscópicas
Elaborado por el autor
De la revisión bibliográfica se ha podido identificar iniciativas similares entre
hobbystas y personas aficionadas a la electrónica, y, al menos una iniciativa
industrial liderada por la compañía argentina ilu, que los fabrica desde 2003 y ha
tenido especial acogida en territorio gaucho [7]. Sin embargo es poca la información
existente sobre la concepción matemática del funcionamiento del proyector,
aspecto en el cual se ha centrado el presente trabajo.
2.2
Análisis matemático del sistema
2.2.1 Delimitación del modelo
El objetivo central del proyecto de fin de carrera ha sido la matematización
de los aspectos importantes de la visualización de la información en el bloque de
leds de acuerdo a los principios de la estroboscopía, por lo tanto, para efectos de
este trabajo, se ignorará la matematización de aspectos cinemáticos y dinámicos
del proyector. En estas condiciones el sistema a modelar adquiere la estructura
mostrada en la figura II.2.
Mensaje escrito
estroboscópico
Mensaje escrito
PROYECTOR
X
ESTROBOSCOPICO
Y(X)
Figura II.2 Diagrama de bloques del proyector estroboscópico
Elaborado por el autor
El análisis del sistema a modelar ha permitido identificar la entrada y salida
del sistema:
a) En una primera aproximación, la entrada del sistema es un mensaje
escrito. Un tratamiento matemático más profundo lleva a concebir al
mensaje como una sucesión de caracteres de una longitud determinada,
lo que se considerará como entrada del sistema.
b) La salida del sistema puede ser aproximada a un mensaje escrito
proyectado como imagen estroboscópica. La reflexión matemática llevó
a privilegiar el tiempo de intermitencia como salida del sistema.
2.2.2 Análisis matemático de los parámetros geométricos de las celdas de
caracteres
El despliegue de mensajes en el proyector se realiza en el plano vertical
respecto a la trayectoria descrita por la plataforma giratoria. En la figura II.3 se
presenta un esquema de los planos de giro y de visualización.
Figura II.3 Esquema de los planos de giro y de visualización
Elaborado por el autor
Los espacios definidos como celdas en la figura II.3, serán ocupados por los
caracteres que forman el mensaje.
El cálculo del número requerido de caracteres para desplegar tal o cual
mensaje debe considerar el caso más crítico. Suponiendo que el número requerido
de caracteres a presentar es 16, por ejemplo electronica utpl, y que el mensaje
utiliza todos los caracteres disponibles, cuando el proyector empiece a funcionar se
desplegaría la siguiente secuencia:
electronica utplelectronica utplelectronica utplelectronica utpl
lo que imposibilitaría la adecuada interpretación del mensaje desplegado. Este
problema se soluciona adicionando al número de caracteres requeridos una unidad,
obteniendo el número de caracteres a desplegar Nc.
Nc= Ncrequeridos + 1
(a)
(II.1)
(b)
Figura II.4 Geometría del proyector a) Representación bidimensional b) Caracter
Elaborado por el autor
La figura II.4 muestra la relación existente entre la longitud de la
circunferencia descrita por el arreglo de leds y el número de celdas que se pueden
colocar en ella. Las ecuaciones II.2 - II.5 describen las relaciones posibles entre la
longitud de la circunferencia descrita L, el ancho de los caracteres Ac, y, el número
de caracteres a desplegar Nc.
L=2
R
(II.2)
Ac * Nc = L
Ac * Nc = 2
(II.3)
R
R = Ac*Nc /2
R:
(II.4)
(II.5)
radio de la plataforma [cm]
El análisis de las ecuaciones muestra la existencia de dos casos: la
variación del radio de la plataforma manteniendo el ancho del caracter fijo, y, la
variación del ancho del caracter manteniendo constante el radio de la plataforma.
Para efectos de este trabajo se evaluará el segundo caso.
Definiendo una longitud de circunferencia descrita de 36 cm, se probó
definir el número de caracteres a desplegar como función ancho del caracter
obteniendo los resultados que se muestran en la tabla II.1 y en la figura II.5.
Nc = L / Ac;
A≠0
(II.6)
Tabla II.1 Evaluación numérica de la ecuación II.6
Nc (Y)
Ac (X)
36
1
18
2
12
3
9
4
Figura II.5 Representación gráfica de la tabla II.1
Elaborado por el autor
2.2.3 Análisis matemático de los parámetros de los caracteres
Por otra parte, es necesario considerar algunos conceptos propios de los
caracteres como el pixelaje, las dimensiones, y, el tiempo de presentación.
El pixelaje de los caracteres se relaciona con las dimensiones geométricas
expresadas en píxeles de ancho por píxeles de alto.
La figura II.6 ilustra algunas ideas importantes sobre la geometría de los
caracteres. Se asume la utilización de píxeles cuadrados y se considera que el
caracter está conformado por dos secciones, una llamada ancho útil y otra
denominada ancho de guarda. El ancho útil sirve para construir los caracteres,
mientras que el ancho de guarda evita la sobreposición de caracteres. Las
relaciones matemáticas entre las magnitudes involucradas se presentan en las
ecuaciones II.7 – II.10.
Figura II.6 Caracter pixelado
Elaborado por el autor
Ac = Au + Ag
(II.7)
Au = Apx * Npxa
(II.8)
(II.9)
Ag = Apx * Npxg
Ac = Apx [Npxa + Npxg]
(II.10)
Ac: ancho de caracter [cm]
Au: ancho útil [cm]
Ag: ancho de guarda [cm]
Npxa: número de píxeles de ancho [sin dimensión]
Npxg: número de píxeles de guarda [cm]
Apx: ancho del píxel [cm]
En el marco del trabajo desarrollado, el efecto estroboscópico se logra a
través de la intermitencia de los diodos led, por lo que es necesario relacionar la
estructura pixelada de los caracteres con la magnitud tiempo, valiéndonos de los
conceptos explicados en la figura II.7 y cuyo resultado se presenta en la ecuación
II.11.
Figura II.7 Conceptualización de la magnitud tiempo
Elaborado por el autor
Tc = Tpx [Npxa + Npxg]
Tc:
tiempo de caracter [s]
Tpx:
tiempo de píxel [s]
(II.11)
Npxa: número de píxeles de ancho [sin dimensión]
Npxg: número de píxeles de guarda [sin dimensión]
2.2.4 Cálculo del período de rotación del motor
El motor es otra parte importante del proyecto. Entre otros parámetros, que
no han sido considerados en este trabajo, se analiza la forma de calcular el período
de revolución de un motor tal como se describe en las ecuaciones II.13 – II.16
(II.13)
(II.14)
(II.15)
(II.16)
La ecuación II.16 permite obtener el tiempo de revolución del motor a partir
del número de revoluciones del mismo.
Se llega a una relación importante mezclando el concepto de tiempo de
caracter con tiempo de presentación del caracter mediante la siguiente ecuación.
(II.17)
T:
período
Tc:
tiempo de presentación del caracter
Nc:
número de caracteres
2.2.5 Modelo matemático del sistema integrado
Una vez que se ha realizado el análisis de los hechos relevantes que se
llevan a cabo para el funcionamiento del proyector, es necesario condensar el
trabajo en ecuaciones que representen el funcionamiento del sistema en su
conjunto.
Se destacan la importancia de la ecuación II.1, la relación existente entre las
ecuaciones II.5 y II.10 y, la relación entre las expresiones II.11 y II.17.De este
análisis se puntualiza las ecuaciones II.18 – II.20,
que son las ecuaciones
consideradas base para el diseño del proyector estroboscópico, y que pueden
consolidarse en la expresión II.21, que integra elementos espaciales y temporales
del diseño.
(II.18)
(II.19)
(II.20)
(II.21)
CAPITULO III
Diseño e implementación de hardware y software del proyector
estroboscópico
En este capítulo se aborda los aspectos principales de la construcción del
componente hardware y del componente software del prototipo de proyector
estroboscópico diseñado.
3.1
Generalidades del diseño
El componente hardware está dividido en dos subcomponentes. Por un lado
se encuentra la parte mecánica conformada por el motor y la plataforma de giro.
Por otro lado aparece el sistema electrónico encargado de gestionar el encendido y
apagado del arreglo de leds.
Considerando
que
el
corazón
del
sistema
electrónico
es
un
microcontrolador, entonces surge la necesidad de contar con un software, cuyas
rutinas correspondan al modelo matemático desarrollado en el capítulo anterior.
3.2
Diseño del componente hardware
El diagrama de bloques del componente hardware del prototipo se muestra
en la figura III.1
Subcomponente
mecánico
Subcomponente
Electrónico
Componente hardware
Figura III.1 Diagrama de bloques del componente hardware
Elaborado por el autor
3.2.1 Diseño del subcomponente mecánico
El diseño mecánico se centra en acoplar una plataforma giratoria al eje de
un motor eléctrico. Un punto crítico es la selección del motor bajo las premisas de
garantizar la potencia requerida y una velocidad angular constante. Como potencia
requerida se ha identificado la combinación de potencia para el movimiento de
rotación de la plataforma, y, potencia para compensar los fenómenos dinámicos de
la plataforma en movimiento. Las pruebas efectuadas sugirieron como la mejor
opción la utilización de un motor de corriente alterna. La tabla III.1 muestra las
especificaciones nominales del motor.
Tabla III.1 Especificaciones nominales del motor YZF10-20-26
Modelo
Voltaje Frec. Corriente Pot. entrada Pot. salida Peso
YZF10-20-26 115 VAC 60Hz
0,7 A
55 W
10W
1,1 Kg
La estructura de la plataforma giratoria se construyó de plástico, a manera de una
barra en cuyo centro se acopla el rotor del motor. En los extremos se colocan el
componente electrónico y la fuente de alimentación con la intención de lograr
equilibrio. Un esquema de la estructura se muestra en la figura III. 2.
Figura III.2 Esquema del subcomponente mecánico
Elaborado por el autor
3.2.2 Diseño del subcomponente electrónico
El subcomponente electrónico está conformado por bloques especializados
cuya estructura se muestra en la figura III.3.
Regulación
de voltaje
Procesamiento
+
Almacenamiento
+
Figura III.3 Estructura de la etapa electrónica
Elaborado por el autor
Despliegue
La alimentación de energía eléctrica para el sistema electrónico proviene de
una batería estándar de 9 voltios. La energía ingresa al sistema a través de una
etapa de regulación de voltaje, construida en base a un regulador de voltaje positivo
a 5 V y 1 A, modelo L7805CV, en cuya salida se colocó un capacitor a fin de
contrarrestar posibles oscilaciones. Ver anexos A y B. Cabe indicar que la
alimentación del motor AC se realiza a través de una conexión directa a la red
doméstica de abastecimiento de energía eléctrica.
En el bloque de procesamiento, un microcontrolador PIC16F628A, cumple
con la gestión del encendido y apagado de los leds del arreglo, de acuerdo a las
instrucciones elaboradas para cumplir con las condiciones de la estroboscopía. El
proceso de programación del microcontrolador se basa en la metodología in circuit
serial programing, que permite la descarga de información en el microcontrolador
cuando éste ya se encuentre en la tarjeta electrónica definitiva. Esta característica
permite el testeo del sistema sin que sea necesario extraer el microcontrolador
programarlo y volverlo a colocar en el sistema finalizado.
La etapa de almacenamiento tiene como elemento principal una memoria
modelo 24C16A, que permite ser borrada y escrita eléctricamente mediante un
protocolo I2C. Para efectuar la programación de la memoria se emplea el software
de distribución gratuita Pony prog.
En la etapa de despliegue, un conjunto de leds azules de alto brillo, que se
encuentran anclados mediante resistores a uno de los puertos del microcontrolador,
son activados o desactivados de acuerdo al requerimiento. El potencial de salida
del microprocesador es suficiente para activar los leds por lo que no se requiere de
una etapa de amplificación previa. Los leds azules fueron seleccionados por cuanto
su luminosidad es 10 veces mayor a los leds normales, lo que se convierte en una
ventaja para visualizar los mensajes ambientes iluminados.
3.3
Diseño del subcomponente software
El diseño del subcomponente software resuelve dos tareas específicas, por
un lado se desarrolla un programa para la edición de mensajes y su posterior
grabado en la unidad de memoria, y, por otro lado se requiere desarrollar un
programa que gestione la escritura de mensajes en calidad de imágenes
estroboscópicas.
El programa de edición de mensajes tiene una estructura sencilla. Recibe el
mensaje que se desea desplegar, aplica filtros que controlan el tipo de letra y/o la
extensión del mensaje, y, finalmente guarda un archivo con la extensión e2p. El
lenguaje de programación seleccionado para la implementación de este programa
fue visual basic en su versión 6.0, ver anexo C.
Para el diseño del programa de gestión de la escritura de mensajes, en
calidad estroboscópica, se utilizó un compilador a efecto de reducir el tiempo de
programación. El software utilizado es Pic Basic Pro, versión 2.4, ver anexo D.
Inicio
Configuración de puertos
Declaración e inicialización
de variables
Lectura de memoria en la
posición Contador
Comparación entre el dato
leído y una tabla fija
For
Contador
Carga de secuencias en
registros
de 1 a Nc
Encendido de leds según
secuencias durante tpx
Contador = 1
Figura III.4 Algoritmo de gestión de escritura de mensajes en calidad estroboscópica
Elaborado por el autor
La figura III.4 presenta el algoritmo de gestión de la escritura de mensajes
en calidad estroboscópica. Al energizar la circuitería se inicia el algoritmo, el
microcontrolador procede a buscar en la memoria el mensaje a desplegar, y,
finalmente lo traspasa al pórtico de salida con lo cual se consigue encender los
diodos led.
Es necesario aclarar que para la programación de la unidad de memoria
externa, se hace uso del programa de libre distribución Pony prog.
3.4
Implementación del proyector estroboscópico
La construcción del proyector de imágenes estroboscópicas ha tenido
dos fases. En la primera se construyó un modelo de prueba que permitió resolver
los problemas del diseño mecánico. La figura III.5 muestra las secciones de las
cuales se compone el modelo de prueba del proyector.
Figura III.5 Proyector como prototipo de prueba
Elaborado por el autor
En la segunda fase se construyó un modelo que corregía las deficiencias
que fueron detectadas en el modelo de prueba. La figura III.6 muestra como luce el
proyector en esta etapa.
Figura III.6 Modelo definitivo del proyector
Elaborado por el autor
3.5
Fase de pruebas del proyector
Para la fase de pruebas se consideró el sistema como si estuviese
conformado de cuatro componentes evaluables: la plataforma móvil, el programa a
para edición de mensajes, el programa para la visualización estroboscópica de
mensajes, y, el bloque de visualización. Para efectos de este trabajo se considera
que el bloque de procesamiento (microcontrolador) funciona correctamente.
El funcionamiento de la plataforma móvil
fue evaluado por observación
directa bajo el criterio de la ausencia de vibraciones durante el proceso de rotación.
El funcionamiento del programa de edición de mensajes se probó generando
una serie de mensajes, cuyos archivos e2p fueron comprobados para verificar el
cumplimiento de los requerimientos impuestos, el anexo E muestra los pasos para
el uso del software. La figura III.7 muestra la ventana principal del programa
evaluado.
Figura III.7 Editor de mensajes personalizados
Fuente: el autor
En una tercera etapa, se validó el programa de visualización estroboscópica
y el sistema de visualización a través de la verificación del adecuado
funcionamiento del proyector estroboscópico de acuerdo a los mensajes
previamente preparados.
Como resultado de las pruebas realizadas se definió que el proyector
despliega un máximo de 18 caracteres con una resolución de 5x7 píxeles
por caracter. La plataforma giratoria tiene un radio de 12,5 cm, y se activa
por un motor de un voltaje nominal de 115 VAC y una frecuencia de 60Hz.
La velocidad del motor de 1500rpm, por efecto de la masa giratoria se
reduce a 780rpm. Las oscilaciones en la velocidad de rotación del motor no
afectan la visualización del mensaje, habiendo realizado pruebas de rotación
en la dirección de las manecillas del reloj y en sentido contrario. La figura
III.8 muestra una imagen del proyector en funcionamiento y la tabla III.2
presenta un resumen de las especificaciones del proyector, el anexo F
presenta un presupuesto detallado de la inversión en la construcción del
proyector.
Figura III.8 Proyector de imágenes estroboscópicas en funcionamiento
Elaborado por el autor
Tabla III.2 Especificaciones del proyector
Ítem
Magnitud
Valor
Unidad
Funcionales
1
Número máximo de caracteres a desplegar
18
Unidades
2
Pixelado de caracteres
5x7
Pixeles
-3
Tipo de caracteres
A-Z de ASCII
Operativas
4
Velocidad de rotación del visualizador
13
rps
5
Alimentación del motor
110, 60
V, Hz
6
Alimentación del circuito electrónico
9
V
Mecánicas
7
Dimensiones [largo, ancho, alto]
30, 30, 15
cm
8
Peso
2,2
Kg
CAPITULO IV
Conclusiones y recomendaciones
4.1
Conclusiones
El diseño del sistema mecánico, en el marco de este proyecto, se ha basado
en la metodología de prueba y error, obteniendo resultados satisfactorios.
De entre las opciones para alimentar de energía al proyector, el uso de una
batería de 9 voltios resulta óptimo tal como lo comprueban los resultados obtenidos.
El proyector de imágenes estroboscópicas diseñado he implementado
presenta mensajes de hasta 18 caracteres, con una resolución de 5x7 píxeles por
caracter.
Los algoritmos diseñados para la implementación del programa de edición
de mensajes y del programa de visualización estroboscópica de los mensajes son
correctos tal como lo confirman las pruebas efectuadas.
Los resultados obtenidos en las pruebas confirman que el modelo
matemático desarrollado para describir el funcionamiento del proyector de
imágenes estroboscópicas es válido.
El funcionamiento del proyector de imágenes estroboscópicas es
satisfactorio y cumple con todos los requisitos prefijados: uso de tecnología led
monocromática, sistemas microprocesados y conceptos de estroboscopia.
4.2
Recomendaciones
El modelo desarrollado es un punto de partida hacia dispositivos más
complejos tanto desde el punto de vista electrónico como mecánico. La utilización
de microcontroladores de mejores prestaciones, posibilitaría reemplazar las
unidades led monocromáticas azules por unidades led RGB, mejorando las
facilidades de gestión de color del proyector.
El sistema de alimentación del proyector también debe ser mejorado
buscando unificar la fuente de alimentación del motor y de la circuitería necesaria
para el despliegue de las imágenes estroboscópicas, mejorando los indicadores de
peso en la plataforma.
Se sugiere plantear un mejoramiento de la estructura mecánica del
proyector, ampliando el radio de la plataforma con el fin de extender el área útil para
mensajes.
De igual forma se sugiere la optimización del diseño electrónico a fin de
reducir el tamaño de los pcb y contribuir a la reducción del peso de la plataforma de
giro.
Una mejora importante en el proyector consistiría en introducir algoritmos
específicos para el procesamiento de imágenes, que permitan visualizar no sólo
caracteres sino gráficos.
También podría hacerse una actualización del pórtico serial por un pórtico
USB.
BIBLIOGRAFÍA
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Estroboscopio
[en
línea].
<http://es.wikipedia.org/wiki/Estroboscopio>.
[Consulta de 15 de mayo de 2009]
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[3]
Saxby Graham, The science of imaging: an introduction, CRC Press, 2002.
[4]
Marshall Cavendish Corporation, Inventors and Inventions, Marshall
Cavendish, 2008.
[5]
Efecto
estroboscópico
[en
línea].
<http://www.librosmaravillosos.com/
comofunciona/comofunciona08.html>. [Consulta de 18 de mayo de 2009]
[6]
Efecto
estroboscópico
[en
línea].
<http://e-ciencia.com/recursos/
enciclopedia/Efecto_estrobosc%C3%B3pico>. [Consulta de 18 de mayo de
2009].
[7]
Empresa [en línea]. <http://www.iluingenieria.com.ar>. [Consulta de 20 de
mayo de 2009].
ANEXO A
Circuitos del sistema
ANEXO B
PCB’s del sistema
ANEXO C
Código fuente del programa de edición de mensajes elaborado en visual basic
„*********************************FORM 1*******************************
Private Sub Acerca__Click()
Form2.Show
End Sub
____________________________________________________
Private Sub Cerrar__Click()
End
End Sub
Private Sub Convertir_Click()
Dim Texto As String, Letra As String
Texto = Text2.Text
For i = 1 To 18
Letra = Mid$(Texto, i, 1)
Select Case Letra
Case "A"
Text1.Text = Text1.Text & "a"
Case "B"
Text1.Text = Text1.Text & "b"
Case "C"
Text1.Text = Text1.Text & "c"
Case "D"
Text1.Text = Text1.Text & "d"
Case "E"
Text1.Text = Text1.Text & "e"
Case "F"
Text1.Text = Text1.Text & "f"
Case "G"
Text1.Text = Text1.Text & "g"
Case "H"
Text1.Text = Text1.Text & "h"
Case "I"
Text1.Text = Text1.Text & "i"
Case "J"
Text1.Text = Text1.Text & "j"
Case "K"
Text1.Text = Text1.Text & "k"
Case "L"
Text1.Text = Text1.Text & "l"
Case "M"
Text1.Text = Text1.Text & "m"
Case "N"
Text1.Text = Text1.Text & "n"
Case "O"
Text1.Text = Text1.Text & "o"
Case "P"
Text1.Text = Text1.Text & "p"
Case "Q"
Text1.Text = Text1.Text & "q"
Case "R"
Text1.Text = Text1.Text & "r"
Case "S"
Text1.Text = Text1.Text & "s"
Case "T"
Text1.Text = Text1.Text & "t"
Case "U"
Text1.Text = Text1.Text & "u"
Case "V"
Text1.Text = Text1.Text & "v"
Case "W"
Text1.Text = Text1.Text & "w"
Case "X"
Text1.Text = Text1.Text & "x"
Case "Y"
Text1.Text = Text1.Text & "y"
Case "Z"
Text1.Text = Text1.Text & "z"
Case "a"
Text1.Text = Text1.Text & "a"
Case "b"
Text1.Text = Text1.Text & "b"
Case "c"
Text1.Text = Text1.Text & "c"
Case "d"
Text1.Text = Text1.Text & "d"
Case "e"
Text1.Text = Text1.Text & "e"
Case "f"
Text1.Text = Text1.Text & "f"
Case "g"
Text1.Text = Text1.Text & "g"
Case "h"
Text1.Text = Text1.Text & "h"
Case "i"
Text1.Text = Text1.Text & "i"
Case "j"
Text1.Text = Text1.Text & "j"
Case "k"
Text1.Text = Text1.Text & "k"
Case "l"
Text1.Text = Text1.Text & "l"
Case "m"
Text1.Text = Text1.Text & "m"
Case "n"
Text1.Text = Text1.Text & "n"
Case "o"
Text1.Text = Text1.Text & "o"
Case "p"
Text1.Text = Text1.Text & "p"
Case "q"
Text1.Text = Text1.Text & "q"
Case "r"
Text1.Text = Text1.Text & "r"
Case "s"
Text1.Text = Text1.Text & "s"
Case "t"
Text1.Text = Text1.Text & "t"
Case "u"
Text1.Text = Text1.Text & "u"
Case "v"
Text1.Text = Text1.Text & "v"
Case "w"
Text1.Text = Text1.Text & "w"
Case "x"
Text1.Text = Text1.Text & "x"
Case "y"
Text1.Text = Text1.Text & "y"
Case "z"
Text1.Text = Text1.Text & "z"
Case Else
Text1.Text = Text1.Text & " "
End Select
Next i
End Sub
Private Sub Guardar_Click()
SaveFile
End Sub
„*********************************FORM 2*******************************
Option Explicit
Private Sub cmdOK_Click()
Unload Me
End Sub
Private Sub Form_Load()
Me.Caption = "About POV Editor"
lblVersion.Caption = "Version " & App.Major & "." & App.Minor & "." &
App.Revision
lblTitle.Caption = "POV Editor "
End Sub
„*********************************MODULO 1*******************************
Public Sub OpenFile()
Dim ContentFile As String
On Error GoTo A
Form1.CommonDialog1.ShowOpen
Open Form1.CommonDialog1.FileName For Input As #1
Do Until EOF(1)
Input #1, ContentFile
Form1.Text1.Text = Form1.Text1.Text + ContentFile + vbCrLf
Loop
Close #1
A:
End Sub
Public Sub SaveFile()
On Error Resume Next
Form1.CommonDialog1.Filter = "Text Files (*e2p)|*.e2p"
Form1.CommonDialog1.ShowSave
Open Form1.CommonDialog1.FileName For Output As #1
Print #1, Form1.Text1.Text
Close #1
End Sub
ANEXO D
Código fuente del programa para la visualización estroboscópica de mensajes
elaborado en Pic Basic Pro
DEFINE I2C_SCLOUT 1
cmcon=7
trisb=0
contro con %10100000
PinSCL VAR Porta.7
PinSDA VAR Porta.6
dato
var byte
leds
var portb
cont1 var word
reg1
var byte
reg2
var byte
reg3
var byte
reg4
var byte
reg5
var byte
retraso var word
kao
var byte
retraso = 15000
cont1= 450
Inicio:
for kao=0 to 17
i2cread Pinsda,pinscl,contro,kao,[dato]
SELECT CASE dato
CASE 97
reg1=%01111110
reg2=%00001001
reg3=%00001001
reg4=%00001001
reg5=%01111110
;A
CASE 98
reg1=%01111111
reg2=%01001001
reg3=%01001001
;B
reg4=%01001001
reg5=%00110110
CASE 99
reg1=%00111110
reg2=%01000001
reg3=%01000001
;C
reg4=%01000001
reg5=%00100010
CASE 100
reg1=%01111111
reg2=%01000001
reg3=%01000001
;D
reg4=%01000001
reg5=%00111110
CASE 101
reg1=%00111110
reg2=%01001001
reg3=%01001001
;E
reg4=%01001001
reg5=%01001001
CASE 102
reg1=%01111110
reg2=%00001001
reg3=%00001001
reg4=%00001001
reg5=%00001001
;F
CASE 103
reg1=%00111110
reg2=%01000001
reg3=%01001001
;G
reg4=%01001001
reg5=%00110001
CASE 104
reg1=%01111111
reg2=%00001000
reg3=%00001000
;H
reg4=%00001000
reg5=%01111111
CASE 105
reg1=%01000001
reg2=%01000001
reg3=%01111111
;I
reg4=%01000001
reg5=%01000001
CASE 106
reg1=%01000001
reg2=%01000001
reg3=%00111111
;J
reg4=%00000001
reg5=%00000001
CASE 107
reg1=%01111111
reg2=%00001000
reg3=%00010100
reg4=%00100010
reg5=%01000001
;K
CASE 108
reg1=%00111111
reg2=%01000000
reg3=%01000000
;L
reg4=%01000000
reg5=%01000000
CASE 109
reg1=%01111111
reg2=%00000010
reg3=%00001100
;M
reg4=%00000010
reg5=%01111111
CASE 110
reg1=%01111111
reg2=%00000100
reg3=%00001000
;N
reg4=%00010000
reg5=%01111111
CASE 111
reg1=%00111110
reg2=%01000001
reg3=%01000001
;0
reg4=%01000001
reg5=%00111110
CASE 112
reg1=%01111111
reg2=%00001001
reg3=%00001001
reg4=%00001001
reg5=%00000110
;P
CASE 113
reg1=%00111110
reg2=%01000001
reg3=%01010001
;Q
reg4=%01100001
reg5=%00111110
CASE 114
reg1=%01111111
reg2=%00010001
reg3=%00010001
;R
reg4=%00110001
reg5=%01001110
CASE 115
reg1=%01000110
reg2=%01001001
reg3=%01001001
;S
reg4=%01001001
reg5=%00110001
CASE 116
reg1=%00000001
reg2=%00000001
reg3=%01111111
;T
reg4=%00000001
reg5=%00000001
CASE 117
reg1=%00111111
reg2=%01000000
reg3=%01000000
reg4=%01000000
reg5=%00111111
;U
CASE 118
reg1=%00011111
reg2=%00100000
reg3=%01000000
;V
reg4=%00100000
reg5=%00011111
CASE 119
reg1=%00111111
reg2=%01000000
reg3=%01111111
;W
reg4=%01000000
reg5=%00111111
CASE 120
reg1=%01100011
reg2=%00010100
reg3=%00001000
;X
reg4=%00010100
reg5=%01100011
CASE 121
reg1=%00000011
reg2=%00000100
reg3=%01111000
;Y
reg4=%00000100
reg5=%00000011
CASE 122
reg1=%01100001
reg2=%01010001
reg3=%01001001
reg4=%01000101
reg5=%01000011
;Z
CASE 32
reg1=%00000000
reg2=%00000000
reg3=%00000000
reg4=%00000000
reg5=%00000000
END SELECT
leds=reg1
pauseus cont1
leds=reg2
pauseus cont1
leds=reg3
pauseus cont1
leds=reg4
pauseus cont1
leds=reg5
pauseus cont1
leds=%00000000
pauseus cont1
Next
kao=0
pauseus retraso
goto inicio
END
;Espacio
ANEXO E
Manejo del software de edición de mensajes
Para editar mensajes personalizados:
a) Se abre el software POV editor.
b) Se escribe el mensaje deseado.
c) Se clickea en el botón convertir, y, aparece el mensaje filtrado.
d) Se guarda el archivo generado en algún lugar del disco. La extensión
del archivo a guardar es e2p.
e) Se abre el programa pony prog, y se busca el archivo generado para ello
se deb ir a File > Open.
f)
Se selecciona el archivo para cargarlo en la memoria eeprom.
g) Se sigue la ruta Device > Write para escribir la memoria.
h) Finalmente se acepta la escritura haciendo click en Yes.
ANEXO F
Presupuesto para la construcción del proyector
Materiales
LEDs azules de alto brillo
Memoria 24LC04B
Microcontrolador PIC16F628A
Conversor USB-Serial
Motor de corriente alterna
Regulador de voltaje 7805
Batería Alcalina 9v
PCB
Resistores 100 ohm
Capacitor 0,47uF
Estructura mecánica
Estaño, soldador y otros
Total
EQUIPOS
Computador y servicio de internet
Impresiones
Fotocopias
Total
SOFTWARE
Licencia Proteus 7.2 SP6
Visual Basic V6.0
Windows XP Profesional
Total
RECURSO HUMANO
Hora de trabajo-hombre
PRESUPUESTO TOTAL DEL
PROYECTO
Unidad
7
1
1
1
1
2
1
4
7
1
1
--
Costo
0,25
0,50
2,70
15
18
0.5
3
2,50
0,03
0,1
10
10
Total
1,75
0,50
2,70
15
18
1
3
10
0,21
0,1
10
10
72,26
50 horas
---
0.8
100
5
40
100
5
145
1
1
1
300
250
200
300
250
200
750
150
3,50
525
1492,26