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Desarrollo de un prototipo de sistema autónomo de redireccionamiento de luz. | ARS

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Equation Chapter 1 Section 1

Trabajo Fin de Grado

Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica

Autor: Antonio Luis Moreno Castro

Tutor: Juan de la Cruz García Ortega

Departamento de Ingeniería Electrónica

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2017

Desarrollo de un prototipo de sistema

autónomo de redireccionamiento de luz.


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Trabajo Fin de Grado

Ingeniería Electrónica, Robótica y Mecatrónica

Desarrollo de un prototipo de sistema autónomo

de redireccionamiento de luz.

Autor:

Antonio Luis Moreno Castro

Tutor:

Juan de la Cruz García Ortega

Profesor titular

Departamento de Ingeniería Electrónica

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2017


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Trabajo Fin de Grado: Desarrollo de un prototipo de sistema autónomo de redireccionamiento

de luz.

Autor: Antonio Luis Moreno Castro Tutor: Juan de la Cruz García Ortega

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2017

El Secretario del Tribunal


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Índice de contenido:

1. Agradecimientos ................................................................................................................... 9

2. Abstract ............................................................................................................................... 11

3. Estado del arte .................................................................................................................... 12

4. Introducción ........................................................................................................................ 13

4.1. Objetivo ................................................................................................................... 14

4.2. Diferentes aplicaciones, un concepto ......................................................................... 15

5. Aspectos generales del diseño ............................................................................................ 16

5.1. Viabilidad del desarrollo:......................................................................................... 16

5.2. Aspecto económico: ................................................................................................ 17

5.3. Fabricación y ensamblaje: ....................................................................................... 18

5.4. Avances y mejoras: .................................................................................................. 18

6. Características técnicas del diseño y desarrollo .................................................................. 19

6.1. Diseño mecánico: .................................................................................................... 20

4.1.1. Material: .............................................................................................................. 30

6.2. Diseño electrónico:.................................................................................................. 31

6.2.1. Gestión de energía: ............................................................................................. 31

6.2.2. Microcontrolador: ............................................................................................... 32

6.2.3. Motores: .............................................................................................................. 35

6.2.4. Sensores: ............................................................................................................. 36

6.2.5. Comunicaciones: ................................................................................................. 38

6.2.6. Placas de circuito impreso: .................................................................................. 41

6.3. Diseño software: ..................................................................................................... 41

7. Sensor solar ......................................................................................................................... 44

7.1. Descripción: ............................................................................................................. 44

7.2. Funcionamiento: ..................................................................................................... 45

7.3. Parámetros eléctricos: ............................................................................................ 47

7.4. Dimensiones: ........................................................................................................... 47

8. Pruebas y ensayos (como parte del anteproyecto) ............................................................ 48

9. Conclusión ........................................................................................................................... 49

10. Anexos ............................................................................................................................. 50

10.1. Código y programación: ...................................................................................... 50

10.1.1. Control y gestión: ................................................................................................ 50

10.1.1.1. ATMEGA: ......................................................................................................... 50


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10.1.1.2. MATLAB: .......................................................................................................... 54

10.1.2. Comunicaciones: ................................................................................................. 54

10.1.2.1. ATMEGA: ......................................................................................................... 54

10.1.2.2. MATLAB: .......................................................................................................... 55

10.1.2.3. LabVIEW: ......................................................................................................... 58

10.2. Índice de imágenes: ............................................................................................. 59

10.3. Referencias bibliográficas: .................................................................................. 61


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1. Agradecimientos

A mis padres, por no dejar de luchar para que llegara este momento, y todos los grandes momentos de mi vida, animarme de forma incansable en cualquier circunstancia y ser el mayor apoyo con el que he podido contar.

A Juan García, por todas las oportunidades que me ha permitido aprovechar, y su confianza depositada durante tantos años, siempre motivador y siempre ilusionado.

Al equipo ARUS, por no dejar que olvide qué es el trabajo en equipo, y el trabajo individual, y brindarme la oportunidad de crecer y llegar a conseguir lo que me

proponga. En especial, a José Ríos Rueda, compañero y amigo, por no dejar de recordarme que “Si se cree y se trabaja, se puede”.

A mi pareja, Paula, por ser quien a diario no me permite caer y hacer que viva cada momento con la mayor ilusión. Cuando amas tu día a día, no te cansas de vivir.

A Solar MEMS Technologies, donde realicé las prácticas y me dieron la oportunidad de seguir aprendiendo y desarrollarme, confiando en mis diseños y

mi trabajo desde el primer día.


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2. Resumen

Este documento tratará el estudio de viabilidad, diseño y fabricación del primer

prototipo de sistema de autoguiado de luz para redirigir los rayos del sol e introducirlos

a través de tubos reflectores que transportan la energía.

Se trata de un sistema de autoposicionamiento para orientar un espejo que refleja la luz

hasta un punto deseado, y a partir del cual podamos iluminar una habitación, por

ejemplo.


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3. Abstract

This paper will discuss the feasibility of the study, design and manufacture of the first

self-guiding light system prototype to redirect the sun's rays and introduce them

through reflective tubes that carry the energy.

It is a system of self-positioning to orient a mirror that reflects the light to a desired

point, and from which we can illuminate a room, for example.


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4. Estado del arte

La base teórica en la que se sustenta este proyecto reside en la necesidad de ahorro

energético sumando a ello el alto confort visual que genera la luz natural.

Se trata de un producto ya estudiado. La tecnología del ARS no reside en un avance

tecnológico en cuanto a determinar la posición del Sol, sino en optimizar dicha

tecnología, reducir el espacio en que se aloja y aplicarlo a una óptica reflexiva para el

redireccionamiento controlado de la luz.


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5. Introducción

Se plantea a continuación el estudio, diseño y fabricación del primer prototipo

completamente funcional de un sistema de guiado de luz autónomo. Partiremos de la

descripción para desarrollar en qué consiste el producto.

Con sistema autónomo queremos referirnos a que, por un lado, desempeña su completa

funcionalidad sin la necesidad de un operario que lo dirija, y, por otro lado, a que el

suministro de la energía necesaria para su funcionamiento se obtenga de la propia

estructura y funcionalidad, sin necesidad de ser conectado a fuentes de alimentación

externas, o a la red eléctrica.

Con pequeños paneles solares se generará suficiente energía para su funcionamiento.

Puesto que se trata de seguimiento solar, mientras la luz solar no sea suficiente, no

existirá generación de energía, pero tampoco será útil la función de guiado solar, debido

a la insuficiente luminosidad, por ejemplo, en presencia de nubes densas, o durante la

noche.

Como veremos a continuación, tenemos por objetivo guiar la luz hacia tubos de muy

elevada reflexión, mediante un único espejo y un sistema de motores en dos ejes para

abarcar la trayectoria solar.

En el siguiente esquema encontraremos una explicación de dicha aplicación.

Ilustración 1

En el esquema mostrado se puede observar el sol como fuente de luz, emitiendo un

rayo, que debido a la distancia a la que se encuentra, podemos considerar colimado.

Este rayo es recogido por un espejo y guiado hacia el interior de un tubo. El transporte

de la energía a partir de este tramo es por parte de los tubos, pero ya tenemos toda la

luz posible dentro de él.

SOL

ESPEJO

TUBO


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5.1. Objetivo

El objetivo principal del proyecto es el de redireccionar la luz solar hacia una serie de

tubos con muy elevada reflexión, dentro de los cuales la luz es guiada hasta el punto

deseado.

Este proyecto tiene sus raíces en la necesidad generada en base al problema energético, de ahorro de recursos disponibles y generados, finalizando en la búsqueda de soluciones a la hora de aumentar la cantidad de luz en una habitación, o espacio.

De forma natural, contamos con fuentes de energía que a diario se encuentran a

nuestro alrededor y a menudo no observamos que podemos transformar su energía en

otra.

Nacen en el mercado empresas dedicadas al aprovechamiento de dichas energías,

como son la solar, térmica, eólica, hidráulica, etc. Con el objetivo de transformar

energía renovable en energía para el día a día, aprovechada en multitud de

aplicaciones, se generan distintas necesidades que cubrir. Un punto a dedicar algunos

objetivos es la mejora de la calidad de vida en las viviendas mediante el

aprovechamiento de renovables.

Tanto es así que dedicamos un gran esfuerzo en obtener mejores formas de energía,

sistemas más eficientes, elementos cotidianos de menor consumo…

Y a la hora de la iluminación, es de todos sabidos que la luz natural no es sino la mejor

fuente lumínica para la gran mayoría de actividades. Además, es una fuente ecológica,

que cuanto más aprovechemos, en menor medida se consumirán otras fuentes

contaminantes utilizadas con el mismo fin: iluminar.

Este fin de iluminar calza muy bien con el objetivo principal del proyecto: redirigir luz

natural. Debido a que podemos iluminar una habitación si los tubos de reflexión están

bien situados, contando con que transportan casi toda la luz (la gran mayoría) que

recoge gracias al posicionamiento del espejo, independientemente de la posición en

que se encuentre el Sol con respecto al sistema.

El proyecto sienta sus bases a priori en la viabilidad del autoposicionamiento mediante

motores de un elemento reflector para llevar luz del sol a donde se desee.

Este sistema tratará de ser autónomo y de no requerir mantenimiento, así como una

sencilla instalación, y una duración que garantice el ahorro en un corto período de

tiempo. En otras palabras, una rápida amortización por parte del usuario.


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5.2. Diferentes aplicaciones, un concepto

Bien sea para guiar luz hasta una habitación desde un tejado, o bien introducir desde

un jardín luz natural hacia el salón, el comedor o la cocina, o bien se hable del cuidado

personalizado de plantas delicadas en zonas de difícil acceso para el sol, el concepto

será siempre el mismo.

Es el de mantener la idea de que es un sistema de guiado de luz mediante el

redireccionamiento producido por reflexión de un foco.

No es de real importancia la aplicación del sistema mientras se mantenga la filosofía de

proporcionar energía de un bien sostenible al alcance de todos.

Todo ello para evitar que la energía que el sol nos regala sea generada por sistemas de

generación externos y menos sostenibles...

Con un sistema de guiado de bajo consumo, hasta la generación de energía sería más

eficiente, buscando la captación de mayor energía en cada momento, en función de

que avance el día.

En algunos casos existe una dependencia de localización para un buen funcionamiento

de un producto de iluminación natural, captación de energía solar o transformación de

energía solar en eléctrica, entre otras aplicaciones, que obligan a situar ciertos equipos

en lugares determinados.

Si esa energía es guiada hasta un punto de más fácil acceso o mejor aprovechamiento,

es posible que se reduzca el número de inconvenientes en ciertas aplicaciones.


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6. Aspectos generales del diseño

A modo de resumen, procedemos a explicar de qué forma este prototipo puede ser un

producto que puede entrar a formar parte de la vida cotidiana de muchos usuarios.

Vamos a desarrollar aspectos genéricos de la fabricación y posibles progresos y avances

que puede tener el producto.

6.1. Viabilidad del desarrollo:

Viendo la idea que tomamos de partida para el producto, no puede ser un producto de

costosa elaboración, ni de complejos procesos de fabricación.

Se plantea a priori el desarrollo, desde un punto de vista industrial, mediante

fabricación por inyección de material plástico y posterior ensamblaje.

Para un primer prototipo se realiza esta inyección en una impresora 3D, ofreciendo

propiedades mecánicas y estructurales que cumplen con los requisitos impuestos, que

no son más que soportar el par generado por los motores y el peso del resto de piezas.

Ilustración 2

El que planteamos es un producto que no requeriría de especificaciones de aislamiento

eléctrico ni contra el viento debido a que se incorpora dentro de una cúpula.

El planteamiento básico frente a la fabricación de las distintas piezas es el de invertir

en moldes que utilizar para la inyección del material. Utilizo el término invertir ya que

se trata de fabricar un molde único (por cada pieza) a partir del cual pueden salir un

número elevado de piezas terminadas.

Este tipo de desarrollo es muy rentable en el aspecto económico debido a que cualquier

pieza o reparación consiste en la sustitución de un elemento de bajo coste.


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La aplicación principal a que se piensa destinar no requiere tampoco de una calibración

solar debido a que el sensor se encargará de buscar únicamente el mayor rayo de luz,

con cierto error, que podemos minimizar cuanto queramos debido a la buena precisión

del sensor y modificando los parámetros de paso de los motores y las reductoras.

6.2. Aspecto económico:

Hemos mencionado antes el tema económico refiriéndonos al bajo coste del desarrollo

mecánico del producto debido a la fabricación mediante inyección de material.

Vamos a analizar en qué valores podemos movernos para evaluar el coste y determinar

si se trata de un coste realmente bajo.

En cuanto al aspecto económico, observamos la siguiente tabla, referida a un período

de un año completo:

ELEMENTO TIPO AMORTIZACIÓN UNIDADES PRECIO/UD PRECIO

Impresora 3D Inversión 2 año 1 770€ 770€

Moldes Inversión 2 años 1 pack (todas las piezas)

1900€ 1900€

Material plástico Consumible Directa con la venta 1350m*250 uds 10.5€/330m 13125€

Componentes Consumible Directa con la venta 1 pack*250 uds 27.5€/ud 6875€

Material oficina Inversión 2 año 1 pack 6000€ 6000€

Gastos (local, luz…) Consumible 2 año 1/mes*12meses 850€/mes*12 10200€

Sueldo personal Salarios 3/mes*12meses 1350€/mes*12 48600€

TOTAL AÑO 78035€

Ilustración 3

Esto quiere decir, que al menos, para ver rentabilidad en un período de un año, el precio

del producto se ve forzado a realizar una sencilla cuenta, la de dividir el coste total entre

el número estimado de unidades que se piensan vender en un año, puesto a priori en

250 unidades.

Nos queda un precio de salida de: 312.14€.

El segundo año desaparecerían los gastos de la impresora 3D y de los moldes, así como

los gastos en material de oficina, compuesto por ordenadores, mesas, sillas, material

para el desarrollo de nuevos productos y alguna licencia de software.


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Es por ello que el precio de salida se puede abaratar alargando la amortización del

material, mientras pueda ser soportado por aquel/aquellos inversor/es del producto.

Se podría así incluir un trabajador más, aumentando la producción y aumentando con

ella las ganancias a final de año, ya que el número de unidades crecería.

6.3. Fabricación y ensamblaje:

El proceso de fabricación estará compuesto por lo realizado en la impresora,

fabricación de dos placas PCB, soldado de componentes y programación.

En la fabricación de los elementos mecánicos, no se puede colaborar mucho, más que

en preparar el siguiente producto para fabricar.

Una vez terminada la impresora, se deben tener las PCB ya impresas, mediante proceso

de fotolitografía, el cual será explicado más adelante.

Hecho esto, se procede a ensamblar los elementos estructurales mientras por otro lado

se sueldan los componentes. Una vez soldados, se conecta por ICSP una placa de

evaluación para cargar el código correspondiente al producto.

Una vez programado y la parte mecánica montada, se ensambla todo el conjunto, para

realizar pruebas de calibración a algunas unidades, no con el fin de determinar el

comportamiento de los fotodiodos, sino para realizar pruebas de temperatura y

precisión, tomando datos que solo nos sirven en este caso para corroborar que estamos

dentro de la zona óptima de funcionamiento que deseamos.

Una vez realizada la comprobación y verificar que está todo correcto, se adjunta

desmontado con instrucciones sencillas para usuario u operario.

6.4. Avances y mejoras:

Como mejora, podría realizarse una aplicación exclusiva para plataformas móviles, así

como interfaces gráficas inalámbricas, para conocer el estado del dispositivo, o cambiar

algún parámetro de su configuración.

Para ello sería necesario incorporar un módulo WiFi, o al menos Bluetooth, al

dispositivo, que generaría incorporar otro microcontrolador, o cambiar el actual por

uno que lo soporte.

En cuanto a interfaces de comunicación, pueden seguir mejorando siempre, de cara a

ofrecer más información, estudiar la posible necesidad de filtrar señales, de hacer

frente a ruido, emisiones, o realizar testeo de equipos en caso de fallo, de manera

sencilla.


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7. Características técnicas del diseño y desarrollo

En este apartado vamos a centrarnos en los aspectos más específicamente del diseño,

compuesto por tres diseños individuales, pero con sinergia entre los tres.

Por un lado, encontramos el diseño mecánico, con ciertos requerimientos naturales,

técnicos, de espacio, de facilidad de fabricación y de montaje y estructurales.

Esta parte del diseño tiene que tener en cuenta las especificaciones de peso, torsión y

par que pueden generar los elementos en funcionamiento. Tendrán por misión las

piezas, ser los “huesos” que soporten las cargas y que sustenten el sistema. Huesos

movidos por músculos, que son los motores, ordenados por un cerebro, el

microcontrolador, que toma decisiones en base a la información de los sensores.

En segundo lugar, diseño electrónico, ya no solo con limitaciones de espacio debido al

diseño mecánico, sino completamente embebido con todo el sistema móvil.

Requerimientos principales de fiabilidad y repetitividad.

Aquí está incluido el “cerebro” de forma física. El diseño electrónico gestionará la

transformación de energía, la transmisión de información según las órdenes en base a

la programación. El diseño electrónico es la vía de acceso que tiene toda la información

para moverse.

La información generada y recibida en el microcontrolador, así como la energía para el

funcionamiento del sistema, requieren de un medio físico para ser transmitida y

recibida. En eso consiste esta parte del diseño, que debe tener en cuenta aspectos de

espacio y requisitos eléctricos, cómo corrientes y tensiones que circularán.

Por último, consta de un diseño software, ya que el control, programación y

comunicación del dispositivo es un aspecto muy importante, ya que un mal diseño

software hará echar a perder el mejor diseño electrónico y mecánico.

Esta última parte del diseño del dispositivo es la que hemos mencionado como cerebro.

Según hayamos codificado todo, funcionará de una forma u otra.

Es por ello que la sinergia existente entre las tres partes debe ser elevada, un gran

compromiso entre todas para un mismo objetivo.


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7.1. Diseño mecánico:

El diseño mecánico es el primero de los diseños que se inició, en base al resultado

deseado. Este diseño ha ido pasando por varios modelos, que podremos ir analizando

a continuación.

El diseño final no tiene por qué ser el mejor ni el definitivo, incluirá mejoras, que deben

ir surgiendo de nuevas necesidades, por ejemplo, ventilación del dispositivo. Es por ello

que se debe mantener un diseño que sea respetuoso con futuros cambios, y, sobre

todo, si cambia algún elemento, éste no haga cambiar más de los necesarios tras él.

En un primer diseño, realizado sobre un papel a mano, el instrumento de guía solar

únicamente trataba de colocar un espejo sobre una plataforma giratoria para la

elevación.

Tras ello, nos dirigimos al software de diseño asistido por computador CATIA, versión

5, R19. Bajo este software, el primer diseño quedó de la siguiente manera:

Ilustración 4

En este diseño se puede observar que el plano visual y estético quedó de lado.


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La aplicación sería la mostrada en el esquema, quedando el sol en el cuadrante superior

derecho y el agujero donde queremos centrar la luz, en la parte inferior derecha y

centro, siguiendo las leyes de reflexión de la luz en el espejo:

Ilustración 5

Pensando sobre el diseño estético, se realizaron varias mejoras, hasta llegar al siguiente

modelo, presentado a continuación:

Ilustración 6

En este nuevo diseño, comienza a tomar importancia el aspecto del dispositivo, siendo

los bordes más redondeados y tomando formas más agradables a la vista.


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La importancia de optimizar el material empieza a ser parte del diseño, pensando ya en

la fabricación.

Poco a poco, además, se fueron incluyendo los distintos componentes que forman el

conjunto, creando un modelo completo para analizar posibles interferencias en

cualquier situación.

En el siguiente diseño se modifica la posición natural del elemento reflectante, en este

caso el espejo. Ahora es sujetado por la base que recogerá la luz. Esto simplifica la

construcción y la estructura, debido a un mejor reparto de cargas.

Ya se puede ver dónde van colocados ambos motores, y viendo el explosionado del

conjunto, se entiende que la pieza ‘A’ es fija, mientras que ‘B’, al hacer girar el motor,

unido a un engranaje de transmisión, hace que toda la parte superior se corresponda

con el giro del motor.

Pieza ‘A’: Pieza situada más abajo. Fija al suelo. Dentada.

Pieza ‘B’: Pieza superior a ‘A’. Sirve de envoltura y protección a la pieza ‘A’.

Ilustración 7

En la parte inferior, el aspecto era el de la siguiente ilustración. Se incluye el engranaje

de unión entre el motor horizontal y la zona dentada de ‘A’. La pieza ‘B’, al girar, se

desliza sobre la base de ‘A’.


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Se pensaron métodos de deslizamiento de baja fricción incluyendo rodamientos, o

simplemente una guía lubricada.

Ilustración 8

Se determina que, con buen engrase, el deslizamiento debe ser de baja fricción y

perpetuado por mayor tiempo del tiempo estimado de vida del dispositivo.

El siguiente modelo va más acorde con la filosofía del ahorro y aprovechamiento del

material, así como elementos estructurales con mejor unión entre piezas y mejores

prestaciones en cuanto a las posibles cargas que deba soportar.

Ilustración 9


24

Tanto la rueda dentada de la base como el engranaje que lleva el motor están

realizados mediante norma UNE 18-005-84 basada en ISO 54 para todos los parámetros

de los que está compuesto el conjunto dentado.

Ilustración 10

Ilustración 11

Ilustración 12


25

Poco a poco, se van optimizando las piezas para su función, algo que facilitará la tarea

de fabricación, y abarata costes, además de mantener el uso eficiente de los recursos.

Ya entramos en el último diseño, en el que se introducen mejoras como la liviana

fricción de rotación del eje que porta el espejo, el definitivo diseño de la zona que

recubrirá la electrónica y al motor acimutal.

Ilustración 13

En la imagen anterior faltan los tornillos de unión entre piezas y el motor del plano

horizontal, que iría dentro de la carcasa, portando el engranaje que se puede observar.


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Detallamos a continuación las piezas que componen el diseño final.

- Cubierta para motor acimutal:

Ilustración 14

Incluye agujero para salida del cable y cuatro guías para tornillos de fijación con

tuerca a la base sobre la que apoya. Protegerá, sobre todo, de radiación y

calentamiento por parte del sol.

- Cubierta para placa electrónica:

Ilustración 15

Podemos observar aberturas, la delantera curva para el cable del sensor, la

lateral izquierda corresponde al conector de entrada de alimentación (7-36 V),

y la que se puede observar al fondo, para conectar al puerto UART, mediante

cable micro USB.

- Guía interna:

Ilustración 16

Es un elemento que servirá de guiador para el carril por el que se mueve la

plataforma superior sobre la inferior.


27

- Plataforma fija:

Ilustración 17

Va anclada al suelo y su interior es el plano donde desliza la plataforma superior

que sustenta espejo y motores.

- Soporte para espejo:

Ilustración 18

El soporte sostiene al espejo, además de servir de eje para la rotación

producida por el motor de elevación. Contiene vaciado en el eje por la

posibilidad de cablear un sensor hasta el espejo.

- Soporte vertical con motor:

Ilustración 19

Sostiene el motor que será eje del soporte para espejo anterior. Va anclado a

la base y debido a la baja velocidad de rotación y una masa reducida, la torsión

generada no será un problema y no requiere de complejos soportes.


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- Soporte vertical con rodamiento:

Ilustración 20

Este soporte lleva un rodamiento dentro de la cavidad que se observa y el

agujero de menor diámetro del rodamiento va unido a uno de los extremos del

soporte para espejo.

- Plataforma de rotación:

Ilustración 21

Tiene los anclajes para los soportes verticales, con dos tornillos cada uno, en

dos direcciones diferentes, soporte para el motor acimutal y taladros para los

tornillos de la caja de protección para la placa electrónica y el soporte del

sensor.


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- Engranaje reductor:

Ilustración 22

Esta rueda dentada sirve de reducción entre la velocidad del motor y la del

soporte horizontal, lo que proporciona mayor precisión de ángulo.

Además, se encarga de aplicar el par necesario para la rotación de todo el

conjunto. Por ello, al reducir la velocidad, aumentaremos el par aplicado en la

misma proporción en que disminuye la velocidad de rotación.

La reducción con la base es de: 23/64 = 0.3594. Respeta norma UNE basada en

ISO.

- Soporte del sensor:

Ilustración 23

El soporte del sensor será un elemento que únicamente mantendrá en todo

momento la posición relativa con la plataforma rotatoria, de la forma más

precisa posible, para así poder garantizar la repetitividad del proceso de cálculo

y control de la posición, para que el rendimiento de luz recogida entre luz

posible para captar sea lo más elevado posible.


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Al final del documento se adjuntan los planos en PDF, sin cotas, debido a que para

mecanizados (en caso de que el proceso de fabricación fuera mediante control

numérico) no son necesarias, según algunas empresas de fabricación por control

numérico. Para el caso de impresión 3D, lo necesario son archivos con la extensión *.stl,

que son generados desde CATIA.

4.1.1. Material:

Para la fabricación de la estructura del prototipo se va a contar con un

material que soporte bien temperaturas de unos 75ºC sin deformarse, y que

pueda proporcionarnos buen acabado, así como posibilidad de realizar

alguna modificación tras la fabricación.

El material del que hablamos es el PLA (ácido poli-láctico), un polímero

biodegradable derivado del ácido láctico. Es un material altamente versátil,

hecho a partir de recursos naturales, como el maíz, la remolacha, y otros

productos ricos en almidón.

El PLA es un polímero permanente e inodoro, claro y brillante como el

poliestireno y resistente a la humedad y a la grasa.

Según el tipo de PLA, lo encontraremos de densidades dentro de un rango

entre 1.25 g/cm3 hasta 1.38 g/cm3, con puntos de fusión mínimo del PLA

que a menor temperatura funde, de 120ºC, por lo que nos parece un

material con muy buenas características para la aplicación que se le piensa

dar, debido también a su reducido coste.

Ilustración 24

De cara a la fabricación en serie, mediante inyección en moldes, se elige un

material, también polímero, termoplástico, de baja densidad. Se trata del

polietileno de baja densidad.

El polietileno de baja densidad es familia del polipropileno y los polietilenos.

Conformado por unidades de etileno, se designa mediante LDPE (Low

Density Polyethylene), o PEBD, (PoliEtileno de Baja Densidad). Es un material

reciclable.


31

7.2. Diseño electrónico:

Al igual que el diseño mecánico, el diseño electrónico ha sufrido grandes

modificaciones, avances en su mayoría, y optimización del espacio, sobre todo.

Al principio, el diseño consistía en realizar una placa sin forma exacta más que el

tamaño de la placa adquirida, debido a que el primer diseño no portaría en su

estructura la placa.

Pero antes de comentar sobre la forma de la PCB, comentaremos detalladamente el

diseño y en qué consiste.

Bien, pues viendo por partes toda la electrónica, resumiremos los componentes en 5

grupos: gestión de energía, microcontrolador, motores, sensores y comunicaciones.

7.2.1. Gestión de energía:

El sistema puede ser alimentado, a través de un conector JACK DC de 6.5 mm,

desde con 7V, hasta 36V, debido a que incorpora un regulador de tensión

protegida de sobretensiones.

Se ha elegido el regulador LM7805, no necesitamos que sea regulable ya que

todos los elementos requieren de 5V. El consumo estimado del dispositivo

completo sería de unos 200 mA cuando se mueven los motores, y mucho menor

para cuando no requiere movimiento.

No obstante, hay varios puntos en el circuito donde podrían recibir 5V, ya que

es un punto común en todos los elementos que requieren de alimentación.

Desde ellos, se podría alimentar el dispositivo con 5V, o desde el micro USB que

se destina a comunicación.

Al colocar condensadores a la entrada y salida del regulador, la tensión de

entrada y salida serán más estables, al estar filtradas las sobretensiones que

puedan producirse, dentro de un rango.

El circuito es el siguiente:

Entrada: 7-36V DC.

Salida: 5V DC. Ilustración 25


32

Ya tenemos un punto que repartir por toda la placa de 5V DC, que servirá de

alimentación a todos los dispositivos. Este regulador es capaza de proporcionar

hasta 1000 mA, bien refrigerado.

Para proteger de posibles calentamientos, se le colocará un disipador de calor

con aletas, de aluminio.

7.2.2. Microcontrolador:

Para realizar las tareas de gestión de parámetros, cálculos para la posición y

gestión de la información a transmitir a los motores, así como el reparto de

órdenes, las decisiones que tomar, etc.

Para ello y más se escoge un dispositivo que, con periféricos, gestionará toda la

información que reciba para llevar a cabo la tarea correspondiente.

El software implementado será explicado en el siguiente apartado de diseño,

aquí explicamos el microcontrolador escogido: ATMEGA328P-AU, con

encapsulado tipo TQFP (Thin Quad Flat Package), de 32 pines.

Ilustración 26

Esta es la configuración de pines que tiene el microcontrolador.

Del diseño electrónico, referente al microcontrolador, hay que explicar cierta

configuración para que éste funcione como deseamos.

Para comenzar, tiene un pin, el pin PC6, denominado RESET. Se trata del Master

Clear Low-level Reset¸ y debe llevar una resistencia conectada a VCC (tensión de

alimentación), para que el microcontrolador no se resetee.


33

Se puede incluir un interruptor para generar una señal a nivel bajo en cualquier

momento, conectando el interruptor entre el pin y GND (referencia de tensión

0V), como podemos ver a continuación:

Ilustración 27

La asignación de pines que se ha establecido es la siguiente:

PIN GRUPO ASIGNACIÓN

PD3 (1) Motores In2_ULN2003A_MOTH PD4 (2) Motores In3_ULN2003A_MOTH GND (3) Gestión de energía GND VCC (4) Gestión de energía VCC_5V GND (5) Gestión de energía GND VCC (6) Gestión de energía VCC_5V PB6 (7) µC OSC1 PB7 (8) µC OSC2 PD5 (9) Motores In4_ULN2003A_MOTH PD6 (10) Motores In1_ULN2003A_MOTV PD7 (11) Motores In2_ULN2003A_MOTV PB0 (12) Motores FDC_1 PB1 (13) Motores FDC_3 PB2 (14) Motores FDC_2 PB3 (15) Comunicaciones JTAG2 PB4 (16) Comunicaciones JTAG3 PB5 (17) Comunicaciones / µC JTAG1 AVCC (18) µC VCC_5V ADC6 (19) Sensores ISS_1 AREF (20) µC GND GND (21) µC GND ADC7 (22) Sensores ISS_2 PC0 (23) Motores In3_ULN2003A_MOTV PC1 (24) Motores In4_ULN2003A_MOTV PC2 (25) Sensores ISS_3 PC3 (26) Sensores ISS_0 PC4 (27) Motores FDC_0 PC5 (28) Sensores TEMP_CUP PC6 (29) Comunicaciones / µC JTAG0/RESET PD0 (30) Comunicaciones TXO PD1 (31) Comunicaciones RXI PD2 (32) Motores In1_ULN2003A_MOTH

Ilustración 28


34

Para la señal de reloj de entrada al microcontrolador utilizaremos un cristal de

cuarzo de 20 MHz, con su correspondiente condensador a GND en cada pin,

como podemos ver en la imagen:

Ilustración 29

Las salidas InX_ULN2003A_MOTY, siendo X de 1 a 4 e Y, V o H, según sea un

motor u otro, son la parte correspondiente al cableado del controlador, un

conjunto (array) de transistores bipolares para realizar el control de cada motor.

Las salidas de estos controladores van cableadas a los motores directamente,

como veremos en el apartado de los motores.

ISS_X son las señales de los 4 fotodiodos, ya pasadas por el seguidor de tensión

TS914ID, un amplificador operacional configurado como seguidor de tensión.

Ilustración 30


35

7.2.3. Motores:

Los motores escogidos para este prototipo a escala son el modelo 28BYJ-48, de

la empresa KiaTronics, y tienen las siguientes características eléctricas.

Se trata de motores paso a paso, que funcionan a 5 voltios de corriente continua.

Tienen 4 fases, que son los 4 cables que utilizamos para controlarlos. En el

diseño software veremos cómo se realiza este control.

Tienen una relación de velocidad de 1/64, que, girando el motor 5.625º cada

paso, con la reducción 1/64, se consigue un paso de 5.625/64 = 0.0878º.

Trabajan a 100 Hz (período de 10 ms), lo que determina su velocidad, que puede

parecer reducida, pero es el precio por mayor par y precisión.

Ofrecen un par de 34.3 mN, más que suficiente para mover la estructura de que

hablamos, aún más con la reducción de velocidad generada por el acoplamiento

mecánico con engranaje a la base rotatoria.

Esto generará en total, una reducción de (1/64) * (23/64) = 23/4096 -> precisión

de 0.0878*23/64 = 0,0316º cada paso.

Es una precisión exagerada, y debemos contar con el juego que existe en el

engranaje, por lo que mediante pruebas y ensayos se determinará más adelante

el error admisible que podremos considerar a la hora de realizar control.

En cuanto a su diseño, podremos verlo en la siguiente ilustración.

Ilustración 31


36

La conexión y electrónica que lleva cada motor es sencilla. Del microcontrolador

salen 4 conexiones a cada controlador, una por fase, y de cada controlador salen

4 conexiones, una por fase, a los motores, como se puede ver en el esquemático

del microcontrolador ATMEGA.

Ilustración 32

Esta es una imagen real del motor y del array de transistores colocado en placa.

7.2.4. Sensores:

La gestión de los motores y del estado en que se encuentre el dispositivo

dependerá de la información que los sensores sean capaces de proporcionar al

microcontrolador.

Es por ello que cuanto mejor monitorizado, más información tendremos y una

respuesta más adecuada podremos ofrecer.

En nuestro caso, la sensorización es una tarea sencilla, pues para el control nos

servimos de un único sensor compuesto por 4 fotodiodos que recogen la luz del

sol, la cual los hace excitarse. Parametrizando dicha excitación y realizando

sencillos cálculos podremos tener un buen control sobre el dispositivo, en

ambas direcciones; acimutal y de elevación.

Este sensor es producto de un delicado trabajo muy preciso, desarrollado por la

empresa Solar MEMS Technologies, y se trata del modelo Nano ISS, que además

cuenta con una tapa que reduce su campo de visión a 25º, haciendo muy preciso

su control. Sobre este sensor y el control que se debe llevar sobre él se hablará

en el próximo apartado. Pasaremos a ver el resto de sensores.

Estos sensores son breves, se trata de un sensor de temperatura, y 4

interruptores final de carrera.


37

El sensor de temperatura es, en definitiva, una resistencia variable con la

temperatura, que bien polarizada y con su debida calibración, puede ofrecernos

con cierta precisión la temperatura a su alrededor.

Utilizaremos este sensor para determinar si las condiciones de operación están

dentro del rango admisible o se trata de algún tipo de alerta.

La polarización del sensor será la siguiente, y los cálculos y calibración se

explicarán en el capítulo destinado a diseño software.

Ilustración 33

El sensor es la resistencia variable que podemos observar con el nombre 10K

Thermistor. Se trata, ni más ni menos, que de un divisor resistivo que varía la

caída generada en función de la temperatura.

Si cambiamos las resistencias de sitio, o los 5V DC por GND, el sensor funcionará,

al contrario.

Lo polarizaremos de forma que cuando la resistividad varíe en un sentido, la

temperatura lo haga en el mismo.

Anteriormente hemos incluido los finales de carrera como parte del grupo

Motores, pero en realidad la función que adoptan es la de sensorizar las

posiciones máximas de cada movimiento, y establecer con cierta precisión y

repetitividad, una posición conocida para determinar el error de ángulo

generado, por ejemplo.

Son interruptores como se muestra a continuación, y tienen un contacto

normalmente abierto y otro normalmente cerrado, contando con un tercer pin,

común a ambos circuitos.

Ilustración 34

Utilizaremos los contactos normalmente abierto, para recibir un valor lógico alto

cuando recibamos un cambio de estado por parte del interruptor.


38

7.2.5. Comunicaciones:

Además de la programación, tendremos la oportunidad de estar conectados al

dispositivo mediante comunicación UART (Universal Asynchronous Receiver

Transmitter), protocolo de comunicación directa con únicamente 2 hilos.

Será destinada a conocer el estado de los componentes mediante aplicación en

MATLAB para modificación de parámetros y LabVIEW para lo relacionado con

comprobar cómo está funcionando, así como realizar una calibración

controlada.

A nivel electrónico, necesitaremos de un módulo de conversión UART a TTL para

poder conectarlo al PC mediante USB y realizar la comunicación.

El módulo utilizado será el mostrado a continuación, y la conexión única que

debemos realizar es cablear la salida TX del microcontrolador a la entrada RX del

conversor, y la salida TX del conversor a la entrada RX del microcontrolador.

Ilustración 35

Ilustración 36

Por último, para ahorrar espacio y poder contener en la menor área posible todo

lo necesario para que funcione correctamente, se han empleado dos PCB’s, que

irán colocadas una encima de otra, unidas por un conector.


39

En cuanto al diseño de las PCB’s, se ha realizado bajo el software Altium

Designer, y se ha realizado la fabricación mediante el proceso de fotolitografía,

explicado más adelante.

Con respecto a su ubicación, van posicionadas dentro de la caja que

comentamos anteriormente, en el diseño mecánico, diametralmente opuesta al

motor de control acimutal.

EL PROCESO DE FOTOLITOGRAFÍA PARA FABRICACIÓN DE PCB:

Existen varios métodos de fabricación de PCB’s. El más utilizado a nivel

industrial es el fresado con fresa mecánica o por láser.

Para utilizar este método es necesario disponer de un equipo específico

de un precio bastante elevado. En este caso, una vez diseñado el circuito

se traspasa la información del mismo, por medio de un fichero de uso

común en la industria (formato GERBER), el cual instruye a la máquina de

control numérico sobre por dónde debe taladrar y cortar el cobre.

La máquina contornea las pistas, separando eléctricamente cada nodo del

circuito, y taladra también todos los puntos de la placa. El proceso es de

una gran precisión, bastante mejor que el proceso fotolitográfico,

incluyendo el taladrado de los pad y las vías del circuito.

En este manual se describirá el proceso fotolitográfico. Una vez diseñado el fotolito, se imprime en papel transparente (puede ser papel vegetal), y dicho dibujo se transfiere a una placa de fibra de vidrio (u otra sustancia que sirva de soporte rígido), recubierta de una capa de cobre y sobre ésta una película fotosensible.

El equipo necesario para este proceso es muy barato, pudiendo hacerse

con componentes de uso corriente, de forma artesanal. De hecho, es el

método usado por las personas aficionadas al diseño electrónico como

hobby.

Se diseña en primer lugar el PCB. Se imprime en papel de acetato.

Recortamos la silueta del circuito, dejando un margen de

aproximadamente medio centímetro. Recortar la placa con un tamaño

ligeramente superior al del circuito recortado del acetato.

A continuación, prepararemos los líquidos que utilizaremos para el revelado de las placas.

Preparar Líquido Revelador: Disolvemos una pequeña cantidad de bicarbonato de sosa (1 cuchara sopera) en 1 litro de agua. Vertemos la solución resultante en una de las bandejas de plástico.


40

Preparación del líquido atacante:

1 parte de agua fuerte (100cc), 1 parte de agua oxigenada (100cc) y 2 partes de agua (200cc). Verter la disolución resultante en la otra bandeja de plástico.

Preparación PCB:

Haremos uso la insoladora de rayos UV. Los rayos UV eliminan la resina que cubre la cara fotosensible de la placa positiva, en aquellas zonas expuestas directamente a la luz. Despegamos la cubierta adhesiva de la placa para dejar al descubierto su cara fotosensible. Colocamos la placa descubierta con su cara fotosensible hacia arriba, y sobre ella, centrado, colocamos el acetato con el circuito impreso.

Una vez saquemos la placa de la insoladora, se puede observar con el reflejo de la luz cómo las zonas de la placa cubiertas durante la exposición por la tinta del acetato tienen un color ligeramente diferente al del resto de la placa, ya que aún se conserva la resina en ella. El siguiente paso será sumergir la placa en el líquido revelador que hemos preparado. El líquido revelador actuará de capa protectora sobre las zonas de la placa que no han sido insoladas, evitando que en un paso posterior el ácido las ataque y elimine el cobre que hay en ellas. Con este fin, agitaremos con suavidad la placa dentro de la bandeja. Por último, sacaremos la placa de la bandeja, la enjuagaremos y la escurriremos un poco, evitando el contacto con las zonas de la placa que conservan aun la resina. Sumergimos la placa en la bandeja del líquido atacante. El ácido atacará y disolverá en unos minutos el cobre de las zonas que no han sido protegidas por el líquido revelador. Por último, sólo nos queda enjuagar bien la placa ya revelada, y secarla bien. Tras el revelado del PCB, sobre el circuito impreso aún permanece una

capa de resina que protege al cobre de la oxidación. Esta capa nos

impide soldar las pistas de cobre con los componentes del circuito, ya

que repele al estaño caliente de las soldaduras.


41

7.2.6. Placas de circuito impreso:

PCB Superior: contiene conectores, gestión de energía y el seguidor de tensión

del sensor solar.

Ilustración 37

PCB inferior: microcontrolador con periféricos necesarios para su

funcionamiento, conector para programación, drivers de motores y conector

para sensor de temperatura.

Ilustración 38

7.3. Diseño software:

El software que cargamos al microcontrolador está realizado bajo el IDE Arduino, tras

varias decisiones sobre el software, y valorar la facilidad que ofrece este software,

aunque poco optimizado en cuanto a funciones, asignación de puertos y elaboración

de código.

En los comienzos del control del dispositivo y gestión de motores se realizaron varios

códigos para realizar tareas independientes y entender su comportamiento, para luego

realizar un código completo que englobe control, cálculos, gestión de sensores,

comunicaciones y todas las tareas que se precisen realizar para el correcto

funcionamiento.

Por parte del sensor, básicamente son fotodiodos polarizados de los que obtendremos

una tensión en corriente continua. Esta la hacemos pasar por un seguidor de tensión,

y va cableada al microcontrolador para que con los datos obtenidos realice la gestión

pertinente.


42

Cuando llegan las señales, la gestión para determinar la posición es la siguiente:

La tensión de cada fotodiodo será la extraída de cada cuadrante, siendo como en la

ilustración anterior la colocación del sistema de referencia para saber qué es

arriba/abajo y derecha/izquierda.

Realizamos las siguientes operaciones para controlar en ángulo:

Ilustración 40

Este último valor es un coeficiente de corrección según el campo de visión del sensor;

lo explicaremos en el capítulo del sensor.

En cualquier software, cada operación aritmética es una labor de empleo de tiempo, y

cuanto más compleja, mayor tiempo se emplea.

Es por ello que decidimos realizar el control, en lugar de con los parámetros de ángulo

en X (acimutal) y ángulo en Y (elevación), con los parámetros Fx y Fy, que ofrecen

información suficiente para realizar suficiente corrección de ángulo sobre la dirección

del rayo incidente.

Ilustración 39


43

Por partes, en primer lugar, debemos incluir las librerías necesarias, generar las

definiciones que se requieran e inicializar las variables creadas para el funcionamiento

del sistema.

Inicializamos un timer para las interrupciones que harán revisar el estado del sensor

para actuar. En el programa principal se establece la comunicación UART, y pequeñas

gestiones. Así, en el modo de funcionamiento normal, cuando se esté actuando, al ser

la interrupción prioritaria, realizará toda la gestión y control antes de volver a escuchar

el canal UART.

Además, mientras no exista comunicación, el consumo general será menor, al no estar

continuamente calculando. El timer tendrá una frecuencia de funcionamiento de 2 Hz,

que consideramos suficiente para el seguimiento solar.

Existen dos versiones de código, que seguirán dos líneas diferentes en cuanto a la

operación y gestión de la información recibida, intentando que cada avance sea una

mejora para el código y le proporcione robustez al sistema.

Básicamente, la versión v0.1 del código corresponde a una máquina de estados que

actúa en modo automático, recorriendo varias funciones para determinar la posición

relativa mediante ecuaciones y cálculos con las tensiones de los fotodiodos, y transmite

por UART la información suficiente.

Por UART podemos pedir el modo manual de funcionamiento, así como a través de un

interruptor.

En este modo, se podrá recolocar el dispositivo interactuando con él desde MATLAB o

LabVIEW, mediante comunicación serie cableada.

El código v0.2 corresponde a una interrupción programada mediante reloj, que cada

cierto tiempo determinado, actúa, realizando las tareas del modo automático de

funcionamiento, hasta que se activa el modo manual, para cambiar parámetros o

corregir la posición, entre otras características.


44

8. Sensor solar

8.1. Descripción:

El sensor solar utilizado para obtener la información suficiente que más tarde se

convertirá en la orientación del sol con respecto al sistema de referencia del mismo se

denomina NANO-ISSX.

Este sensor es desarrollado por la empresa Solar MEMS Technologies, expertos en

ingeniería de pequeña escala, aplicando alta tecnología a microsistemas.

Es una compañía líder en tecnología de sensores solares para pequeños y medianos

dispositivos de vuelo espaciales.

En Solar MEMS predominan los procesos de fabricación MEMS (Micro Electro

Mechanical Systems). Con ventas en más de 40 países y más de 300 unidades de vuelo

lanzadas, Solar MEMS Technologies es una empresa líder en el sector, y pioneros en

tecnologías de sensores solares para aplicaciones de seguimiento solar.

También destinados al control de actitud de dispositivos de vuelo, en tierra o espacio,

existe una amplia variedad de productos, destinados a un amplio mercado, formado por

5 grandes grupos: espacio, energías renovables, aeronáutico, defensa y automoción.

Para nuestra aplicación, encontramos de gran utilidad el sensor NANO-ISSX, que a

diferencia de otros sensores que podremos encontrar en su catálogo, es un sensor para

integrar.

Es decir, no está integrado en un dispositivo completo, sino que se trata de un sensor

óptico formado por fotodiodos, que polarizado y con la FOVEA ajustada ofrecen

información en dos ejes de la posición del sol, en función de lo excitados que están los

4 fotodiodos, y realizando algunas operaciones.

Está basado en el sensor óptico de la firma OPTEK Technologies, modelo OPR5911, que

comprende las siguientes características:

ATRIBUTOS Magnitud UNIDADES

LONGITUD DE ONDA 890 nm

RANGO ESPECTRAL 400 ~ 1100 nm

RESPONSIVIDAD (A NM) 0.45 A/W a 890 nm

TENSIÓN INVERSA MÁXIMA 14 V

CORRIENTE OSCURIDAD 30 nA

ÁREA ACTIVA 1.27 mm2

TEMPERATURA DE OPERACIÓN -55 ~ 125 ºC

Ilustración 41


45

El sensor óptico va soldado en una PCB de 18x18 mm, en la que se polariza el sensor

mediante resistencias calibradas para más adelante colocar la tapa con el campo de

visión determinado.

En sus especificaciones, que encontramos a continuación, se explican las diferentes

configuraciones que puede adoptar:

Ilustración 42

Ilustración 43

Ilustración 44

8.2. Funcionamiento:

El NANO-ISSX mide los ángulos de la incidencia de un rayo de sol basando su tecnología

en cuatro fotodetectores, establecidos en cuatro cuadrantes. La luz del sol es guiada al

detector a través de una ventana sobre el sensor.

En función del ángulo de incidencia, la luz solar induce fotocorrientes en los cuatro

cuadrantes del sensor.

Estos son los ejes de referencia del sensor empleados para el cálculo de ángulo.


46

Ilustración 45

El eje Z es perpendicular al plano del sensor, que contiene a los 4 fotodiodos.

El cálculo del ángulo se basa en la posición angular del rayo incidente con

respecto a la referencia del sensor.

Ilustración 46

Los ángulos X e Y del rayo incidente son finalmente calculados a través de la

medida de tensión de los 4 fotodiodos, mediante simples ecuaciones:

Ilustración 47


47

8.3. Parámetros eléctricos:

Ilustración 48

8.4. Dimensiones:

Desde el aspecto mecánico, se representan a continuación las dimensiones del

dispositivo, magnitudes en milímetros.

Ilustración 49


48

9. Pruebas y ensayos (como parte del anteproyecto)

La primera prueba a realizar consistía básicamente en comprobar si la idea del sistema es

viable o no. Es decir, ¿es necesario incluir un sistema de posicionamiento de un espejo?

¿Qué mejoras tiene?

Pasamos a realizar unas sencillas pruebas para medir la cantidad de luz recogida con y sin

espejo, partiendo de la base de que, con espejo, la luz incide directa sobre el tubo, sin

pérdidas por la inclinación de los rayos.

En primer lugar, debemos obtener unos valores aproximados de luminosidad cuando

ponemos el espejo y según su orientación, y qué cantidad de luz perdemos cuando el

sistema no incorpora espejo (con posicionamiento). Para ello hemos seleccionado, para la

primera prueba, dos resistencias variables con la cantidad de luz (LDR). Las resistencias de

este tipo se colocan como un divisor resistivo, en el que es parámetro de diseño la caída de

tensión, y podemos estimar el valor óhmico a oscuras y con la máxima cantidad de luz. Es

un sistema calibrado en función de los sensores y la tolerancia que se haya seguido. Sabemos

que es una medida imprecisa, pero si podemos fiarnos cualitativamente en la variación de

la cantidad de luz, positiva en cuanto a lo que nos refiere.

Pasamos a utilizar varios fototransistores. Estos dispositivos tienen la apariencia de un diodo

LED, con una pata más larga que otra que determina el emisor del transistor. Al colector se

conecta una resistencia de 10kOhm y a la otra pata de la resistencia debemos conectar la

fuente de alimentación, cuyo valor de salida dependerá de varios factores en función de las

necesidades establecidas.

Los fototransistores tienen un mejor comportamiento en cuanto a nivel cualitativo y con

ellos podemos garantizar que obtendremos una variación de cantidad de luz más fiable.

Realizando mediciones tensión (teóricamente tenemos en cuenta que el sistema de

recepción de luz mantiene una pendiente constante en una supuesta recta tensión

Vce/Vbe).

El experimento realizado consta de dos pruebas, una primera prueba en la que simulamos

que el sol incide sobre el sistema original y el sistema con espejo posicionado con un ángulo

con respecto a la horizontal de unos 10º.

Los resultados obtenidos, en valores de tensión, indicando 0V ninguna luz y 5V luminosidad

máxima según el calibrado, son los siguientes:

Podemos observar que la mejoría es muy notable a primera vista.


49

Observamos ahora para 30º:

Podemos observar que el rendimiento del hueco ha aumentado, debido a que cuanto más

perpendiculares son los rayos solares con respecto al agujero, cuando no hay espejo,

mejora ya que entra más cantidad de luz.

No obstante, podemos ver cómo el sistema con espejo mantiene una cantidad de luz

porcentual por encima del 90%. Es en el resto de puntos (donde los rayos no son en la

dirección del hueco) donde nuestro sistema entra en acción y donde trataremos de

optimizar la cantidad de luz que entra.

10. Conclusión

Como conclusión puedo determinar, en primer lugar, lo fascinante que resulta llevar a cabo

un proyecto que engloba varias áreas de la ingeniería, realizar un diseño en cada uno, y ver

que entre todos forman un único conjunto que se comporta tal y cómo los estudios previos

habían establecido.

Además de la satisfacción personal, creo que este dispositivo es un producto cerca de ser

final, que podría, con ligeros cambios, llegar a ser un producto comercial para un sector aún

reducido, pero en el que confío crecimiento.

Abreviado como ARS, y denominado Autolighting Room System, bajo mi punto de vista, lo

considero un desarrollo competitivo, a diferencia de realizar alguna modificación, como

establecer un protocolo UART más robusto, introducir un timer como watchdog para evitar

comportamientos indebidos y algunas características más, fáciles de implementar.


50

11. Anexos

11.1. Código y programación:

11.1.1. Control y gestión:

11.1.1.1. ATMEGA:

Se trata de una interrupción por software periódica, en la que se realizan varias

funciones:

Ilustración 50

La función PHD_Read se encarga de leer el estado de cada fotodiodo, y

determinar si se encuentra o no en modo perdido (no hay fuente de luz

suficiente, tensión generada en fotodiodos menor que un umbral).

Cuando está en modo perdido, se paran las interrupciones, vuelve al origen, con

la función Origen, y mediante la función LostFun busca desde el origen un nuevo

foco de luz.


51

Ilustración 51

Con la función Temp se mide la temperatura y se guarda, para control

del dispositivo en cuanto a incrementos indeseados.

Si no está en modo perdido, se calculan los parámetros Fx y Fy, para

trabajar con ellos el control:

Ilustración 52


52

El control de los motores como aparece en la función Unmaned, es el

siguiente:

Ilustración 53

El paso lo dan en función a una matriz llena de 1 y 0, indicando en cada

caso, qué bobina del motor se debe hacer funcionar:

Ilustración 54


53

En modo manual, el diagrama de flujo es muy sencillo, el dispositivo

espera a recibir órdenes externas y moverse según la orden que le llegue.

El código es el siguiente:

Ilustración 55


54

11.1.1.2. MATLAB:

El código en MATLAB para el control es simplemente el envío de

órdenes al dispositivo desde la ventana de comandos, siendo estos

números, que con el teclado numérico se convierte en algo intuitivo: 8

para elevar, 2 para reducir elevación, 5 para posición de origen, 6 para

giro horario, 4 para giro antihorario.

Se establece un último comando para guardar una nueva

posición de origen. Será el envío de la letra ‘O’.

Se ve en la parte de comunicaciones.

11.1.2. Comunicaciones:

11.1.2.1. ATMEGA:

Con respecto a la comunicación, se establece un canal serie, en

nuestro dispositivo, puerto de comunicaciones COM4. A través de él, se

reciben y envían parámetros de control e información necesaria cuando

se requiera.

En el modo de funcionamiento automático no hay

comunicación, ya que haría más lento el sistema y no es necesaria en

este caso la comunicación, al ser un dispositivo autónomo.

Consiste en abrir un canal de comunicación con sencillos

comandos, realizar envíos escribiendo en un buffer y leyendo lo que

entra por el buffer de recepción.


55

11.1.2.2. MATLAB:

Se ha realizado un script en MATLAB para comunicación y

corrección mediante control manual a través del canal serie.

close all;

fclose('all');

delete(instrfind({'port'},{'COM4'}));

TIMEOUT=3;

SerialCOM4 = serial('COM4');

set(SerialCOM4, 'BaudRate', 115200, 'StopBits', 1);

set(SerialCOM4, 'Terminator', 'LF', 'Parity', 'none');

set(SerialCOM4, 'FlowControl', 'none');

set(SerialCOM4,'Timeout',TIMEOUT);

fopen(SerialCOM4);

disp('Canal serie abierto');

disp('.');

pause(1);

disp('.');

pause(1);

disp('.');

pause(1);

disp('Conexión establecida con puerto de comunicaciones COM4.');

orden='f';

while (orden(1) ~= 'X'),

orden = input('Seleccionar orden (H: ayuda): ', 's');

if isempty(orden)

orden(1)='f';

else if orden(1)=='X'

ordenCerrar = input('¿Reset ARS? (1: Si, 0: No): ', 's');

if ordenCerrar=='1'

Read=fscanf(SerialCOM4,'%c',1);

while Read~='R'

fwrite(SerialCOM4,'R');


end

fclose(SerialCOM4);

delete(SerialCOM4);

else

fclose(SerialCOM4);

delete(SerialCOM4);

end

disp('Comunicación cerrada');

clear all;

break;

end


56

end

switch (orden(1))

case{'X'}

ordenCerrar = input('¿Reset ARS? (1: Si, 0: No): ', 's');

if ordenCerrar=='1'


while Read~='R'



end

fclose(SerialCOM4);

delete(SerialCOM4);

else

fclose(SerialCOM4);

delete(SerialCOM4);

end

clear all;

case{'4'}

fwrite(SerialCOM4,'4');

case{'6'}


case{'2'}


case{'8'}


case{'5'}


case{'A'}

fwrite(SerialCOM4,'A');


disp(Read);

case{'T'}

fwrite(SerialCOM4,'T');

SizeTC=fscanf(SerialCOM4,'%d',1);

Read=fscanf(SerialCOM4,'%c',SizeTC);

disp(Read);

case{'M'}

fwrite(SerialCOM4,'M');


while Read~='M'

fwrite(SerialCOM4,'M');


end


disp(Read);

case{'R'}


57

disp('Reset por software enviado');

%fwrite(SerialCOM4,'R');


while Read~='R'



end

case{'H'}

disp('A: Modo automático');

disp('M: Modo manual');

disp('4: Mover izquierda');

disp('O: Guardar posición como origen');

disp('6: Mover izquierda');

disp('5: Posición origen');

disp('2: Mover abajo');

disp('8: Mover arriba');

disp('R: Reset por software');

disp('T: Conocer temperatura');

disp('X: Cerrar conexión serie');

otherwise

disp('Introduzca un parámetro correcto');

end

end


58

11.1.2.3. LabVIEW:

Ya dominada la comunicación UART para meterlo en algo más

complejo, se realiza un conjunto de bloques que tienen por función

establecer comunicación con el dispositivo, y solicitar cierta información

del sensor, así como de los motores, de los cuales no es difícil saber su

posición, contando el número de pasos que han dado hacia un lado y

hacia otro.

Bajo el entorno de LabVIEW se realiza el siguiente diagrama de

bloques, que, en modo automático, hace de lector de estados de los

componentes que pertenecen al dispositivo, como el sensor solar, los

motores y el sensor de temperatura.

Ilustración 56


59

11.2. Índice de imágenes:

Ilustración 1 – Boceto esquemático (render) de la posición de montaje.

Ilustración 2 – Impresora 3D Moebyus Steel Large.

Ilustración 3 – Tabla de costes.

Ilustración 4 – Primer prototipo.

Ilustración 5 – Posición del primer prototipo.

Ilustración 6 – Prototipo versión 1.2, más visual.

Ilustración 7 – Ensamblaje prototipo segundo con base circular abierta.

Ilustración 8 – Vista inferior del prototipo segundo.

Ilustración 9 – Tercer prototipo, optimización del anterior.

Ilustración 10 – Diámetros de un engranaje normalizado.

Ilustración 11 – Diseño de rueda dentada en CATIA.

Ilustración 12 – Montaje soporte espejo con estructura vertical.

Ilustración 13 – Prototipo cuarto (explosionado de piezas).

Ilustración 14 – Caja protección motor acimutal.

Ilustración 15 – Caja protección PCB’s.

Ilustración 16 – Guía interna del soporte giratorio a la base.

Ilustración 17 – Base fija dentada.

Ilustración 18 – Soporte espejo.

Ilustración 19 – Soporte vertical motor elevación.

Ilustración 20 – Soporte vertical soporte rodamiento.

Ilustración 21 – Base giratoria.

Ilustración 22 – Rueda dentada de aplicación de par (acimutal).

Ilustración 23 – Soporte sensor solar.

Ilustración 24 – Rollos de PLA.

Ilustración 25 – Esquemático alimentación eléctrica.

Ilustración 26 – Pinout microcontrolador.

Ilustración 27 – Esquema Reset hardware.

Ilustración 28 – Configuración de pines.

Ilustración 29 – Esquemático oscilador.

Ilustración 30 – Esquemático conexionado microcontrolador.

Ilustración 31 – Dimensiones mecánicas del motor.


60

Ilustración 32 – Motor y driver ULN2003A.

Ilustración 33 – Esquemático termistor NTC.

Ilustración 34 – Interruptor final de carrera.

Ilustración 35 – Módulo de conversión UART para USB.

Ilustración 36 – Conexión pines recepción y transmisión canal UART.

Ilustración 37 – Diseño PCB superior.

Ilustración 38 – Diseño PCB inferior.

Ilustración 39 – Boceto y orientación fotodiodos del sensor.

Ilustración 40 – Ecuaciones y correcciones a aplicar.

Ilustración 41 – Tabla de características del fotodiodo.

Ilustración 42 – Características técnicas sensor solar.

Ilustración 43 – Aspectos eléctricos del sensor solar.

Ilustración 44 – Rizado de tensión.

Ilustración 45 – Boceto del sensor solar.

Ilustración 46 – Esquema posición fotodiodos.

Ilustración 47 – Ecuaciones y parámetros para cálculos.

Ilustración 48 – Parámetros eléctricos.

Ilustración 49 – Aspecto dimensional del sensor.

Ilustración 50 – Control automático.

Ilustración 51 – Lectura analógica de fotodiodos.

Ilustración 52 – Cálculo de Fx y Fy.

Ilustración 53 – Control de motores.

Ilustración 54 – Matriz de pasos para activación de bobinas.

Ilustración 55 – Código de control manual.

Ilustración 56 – Ventana de control en LabVIEW.


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11.3. Referencias bibliográficas:

Microchip.com. (n.d.). ATmega328P - Microcontrollers and Processors. [online]

Available at: http://www.microchip.com/wwwproducts/en/ATmega328P

[Accessed 2017].

Atmel. (n.d.). ATmega328P-AU. [online]

Available at: http://www.atmel.com/images//Atmel-8271-8-bit-AVR-

Microcontroller-ATmega48A-48PA-88A-88PA-168A-168PA-328-

328P_datasheet_Complete.pdf [Accessed 2017].

Arduino.cc. (n.d.). Arduino - Home. [online]

Available at: https://www.arduino.cc/ [Accessed 2017].

Blog.arduino.cc. (n.d.). Arduino Blog. [online]

Available at: https://blog.arduino.cc/ [Accessed 2017].

Prometec.net. (n.d.). Motores paso a paso: 28BYJ-48 | Tutoriales Arduino.

[online] Available at: http://www.prometec.net/motor-28byj-48/ [Accessed

2017].

Altium.com. (n.d.). The Best PCB Design Software - Altium. [online] Available

at: http://www.altium.com/ [Accessed 2017].

Techdocs.altium.com. (n.d.). Tutorial - Getting Started with PCB Design | Online

Documentation for Altium Products. [online] Available at:

http://techdocs.altium.com/display/ADOH/Tutorial+-

+Getting+Started+with+PCB+Design# [Accessed 2017].


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desarrollo de un prototipo de sistema autónomo de...

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