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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MANDO DE CONTROL PARA UN VEHÍCULO TELEOPERADO DIANA LUCIA PUENTES GAITÁN SERGIO ALEJANDRO RÍOS BONILLA DIEGO SALVADOR RAMÍREZ UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA BOGOTÁ 2010

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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MANDO DE CONTROL PARA UN

VEHÍCULO TELEOPERADO

DIANA LUCIA PUENTES GAITÁN SERGIO ALEJANDRO RÍOS BONILLA

DIEGO SALVADOR RAMÍREZ

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA

BOGOTÁ 2010

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MANDO DE CONTROL PARA UN

VEHÍCULO TELEOPERADO

DIANA LUCIA PUENTES GAITÁN SERGIO ALEJANDRO RÍOS BONILLA

DIEGO SALVADOR RAMÍREZ

Trabajo de grado

Asesor: Néstor Penagos Ingeniero Electrónico

UNIVERSIDAD DE SAN BUENAVENTURA

FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTRÓNICA

BOGOTÁ 2010

CONTENIDO

Pág.

INTRODUCCIÓN 14

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 15

1.1 ANTECEDENTES 15

1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 26

1.3 JUSTIFICACIÓN 27

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 27

1.4.1 Objetivo general 27

1.4.2 Objetivos específicos 28

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO 28

2. METODOLOGÍA 29

3. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FACULTAD 30

/ CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA

4. DESARROLLO INGENIERIL 31

4.1 CONTROL DE MANDO 31

4.1.1 Sensores 32

4.1.1.1 Tipos de sensores 33

4.1.1.2 Acelerómetro 34

4.1.1.3 Elección del sensor 42

4.1.2 Microcontrolador 46

4.1.2.1 Microcontroladores PIC 49

4.1.2.2 Microcontrolador HC908 de Freescale. 53

4.1.2.3 Elección del Microcontrolador PIC 55

4.1.3 Transmisión 60

4.1.3.1 Tipos de comunicación 60

4.1.3.2 Comunicación inalámbrica 61

4.1.3.3 Elección del dispositivo de transmisión 63

4.1.4 Circuito electrónico del control de mando. 67

4.2 VEHÍCULO 70

4.2.1 Recepción 70

4.2.2 Control 72

4.2.3 Actuadores 73

4.2.4 Circuito electrónico del vehículo 78

5. DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 83

6. CONCLUSIONES 86

7. RECOMENDACIONES 87

BIBLIOGRAFÍA 88

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Tipos de sensores 33

Tabla 2. Tipos de acelerómetros 42

Tabla 3. Diferentes modelos de acelerómetros 43

Tabla 4. Selección de nivel de sensibilidad del MMA7260QT 45

Tabla 5. Nomenclatura de los PICs 51

Tabla 6. Relación familia-gama de los microcontroladores PIC 52

Tabla 7. Características de algunos dispositivos de la familia HC908. 54

Tabla 8. Características PIC 16F873 y 16F877 57

Tabla 9. Tipos de comunicación 61

Tabla 10. Características de los dos tipos de comunicación 63

inalámbrica sin protocolo

Tabla 11. Características de diferentes transmisores 64

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Comet III 16

Figura 2. S-PC 17

Figura3. Vehículo manejado vía radio 17

Figura 4. Vehículos desarrollados 18

Figura 5. Sojourner Rover 19

Figura 6. Partes del Sojourner Rover 19

Figura 7. Acelerómetro en teléfonos móviles 21

Figura 8. Juegos con acelerómetros 21

Figura 9. Combinación GPS y acelerómetro 22

Figura 10. Acelerómetro en el Nintendo Wii 23

Figura 11. Acceleglove 24

Figura 12. Acceleglove en uso 24

Figura 13. Componentes del Segway 25

Figura 14. Segway 26

Figura 15. Diagrama en bloques del sistema 31

Figura 16. Diagrama en bloques del control de mando 32

Figura 17. Principio Fundamental de un acelerómetro 35

Figura 18. Esquema de un Acelerómetro Mecánico 36

Figura 19. Acelerómetro piezoeléctrico 37

Figura 20. Acelerómetro piezoresistivo 38

Figura 21. Esquema interno de un acelerómetro capacitivo 39

Figura 22. Capacitancias iguales Ca = Cb 40

Figura 23. Variación en las capacitancias 40

Figura 24. Acelerómetros MEMS 41

Figura 25. MMA7260QT vista desde abajo 44

Figura 26. MMA7260QT vista desde arriba con distribución de pines 45

Figura 27. Acelerómetro MMA7260QT Seleccionado 46

Figura 28. Diagrama de bloques de un Microcontrolador 47

Figura 29. Arquitecturas (a) von Neumann y (b) Harvard 49

Figura 30. Oscilador de cristal 50

Figura 31. Oscilador RC 51

Figura 32. Microcontrolador HC908. 53

Figura 33. Arquitectura de ejecución CPU08. 54

Figura 34.Diagrama de pines del PIC16F873 (encapsulado de 28 pines) 56

Figura 35. Diagrama de pines del PIC16F877 (encapsulado de 40 pines) 56

Figura 36. Diagrama de bloques general de los PIC de gama media 58

Figura 37. Descripción del Pinout del PIC16F873 y PIC16F876 59

Figura 38. Comunicación por infrarrojo 62

Figura 39. TLP 434A Transmisor 64

Figura 40. Modulación ASK 65

Figura 41. Circuito para conexión TLP434A 66

Figura 42. Diagrama del circuito del control remoto 67

Figura 43. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador 69

para la transmisión

Figura 44. Diagrama de flujo de los componentes instalados en el 70

vehículo

Figura 45. RLP 434 Receptor 71

Figura 46. Circuito de aplicación del RLP343 72

Figura 47. Rotor 74

Figura 48. Estator 75

Figura 49. Componentes del motor DC 75

Figura 50. Movimientos de un motor DC 76

Figura 51.Modulacion de ancho de pulso PWM 77

Figura 52. Puente H de control del motor 78

Figura 53. Diagrama circuital del vehículo (microcontrolador, 79

decodificador y receptor)

Figura 54. Diagrama circuital del vehículo (Puente H, 80

optoacopladores y motor)

Figura 55. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador 82

para la recepción

Figura 56. Esquema general y pines de la LCM08002B 84

Figura 57. Fotografía del vehículo y control de mando 85

LISTA DE ANEXOS

Pág.

Anexo A. Especificaciones técnica de los dispositivos 92

Anexo B. Líneas de código 123

Anexo C. Tarjetas y montajes 152

14

INTRODUCCIÓN

A través de la historia el hombre ha desarrollado diferentes formas de simplificar

sus tareas cotidianas, utilizando gran variedad de mecanismos que se han ido

desarrollando con el tiempo. Los vehículos motorizados son una muestra del

ingenio del hombre en su afán de mejorar su calidad de vida; actualmente estos

vehículos están involucrados en casi todas las labores y actividades que el

hombre realiza diariamente. Existen vehículos que sirven para transporte de

personas, carga pesada y hasta para diversión de niños y adultos como lo son los

vehículos teleoperados.

Los vehículos operados a distancia son aquellos que son controlados por un

usuario desde una estación remota. Fueron creados principalmente para el

entretenimiento de niños, pero al ver la utilidad de estos vehículos en diferentes

actividades, llegaron a ser utilizados en la realización de tareas difíciles y

peligrosas para el hombre. Los vehículos exploradores fueron diseñados

principalmente para proteger la vida humana; la idea principal consiste en usarlos

en lugares que tengan algún tipo de riesgo o poca accesibilidad para un humano,

con fines de rescate o prevención, ya que en dichos vehículos se pueden incluir

varios dispositivos como por ejemplo: cámaras, sensores de temperatura,

sensores que detecten metales, entre otros.

15

1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 ANTECEDENTES Como se menciona en el artículo Móviles o vehículos robot1, los vehículos

robotizados están basados en carros o plataformas y formados por un sistema

automotor de tipo rodante. En los años cincuenta fueron diseñadas las tortugas

motorizadas que sirvieron como base para estudios de inteligencia artificial, que

comenzaron a ser desarrollados entre los años de 1965 y 1973 en la universidad

de Stamford.

En la actualidad existen diferentes tipos de vehículos no tripulados; estos están

categorizados dependiendo de la tarea para la cual han sido diseñados. Por

ejemplo: por el medio en el cual se ejecutara su tarea, la forma cómo se

movilizará, entre otras características. Existen vehículos militares no tripulados

que tienen entre sus funciones, explorar campos minados y lugares peligrosos

para el ser humano; estos vehículos cuentan con un blindaje especial que lo

protege de explosiones o posibles ataques. Un ejemplo de este tipo de vehículo

puede verse en el artículo “Japoneses diseñan robots para salvar vidas2”, es el

Comet III, un vehículo con forma de araña metálica (ver figura 1), el cual podría

rastrear minas anti personales o sobrevivientes entre escombros. Su creador

kenzo Nonani afirma que “Mi convicción es que la gente no tendría que hacer

trabajos peligrosos”, por esta causa invierte su tiempo creando robots para

actividades de rescate o con fines humanitarios.

1 Móviles o vehículos robot. En: HISTORIA DEL ARTE DE LA ROBÓTICA [en línea]. 1 abril 2009. Disponible en Web: < http://robotik-jjlg.blogspot.com/2009/04/moviles-o-vehiculos-robot.html>. 2 Japoneses diseñan robots para salvar vidas. En: PARITARIOS [en línea]. Chile. Disponible en Web: < http://www.paritarios.cl/ciencia_robot_salva%20_vidas.htm>.

16

Actualmente existen empresas que realizan proyectos de investigación sobre

vehículos teleoperados como por ejemplo S-PC3 (Sistemas de Percepción y

Control S.L.), que ha desarrollado vehículos para aplicación en vigilancia o en

inspección de zonas con algún tipo de riesgo (Figura 2). Esta empresa también ha

diseñado y construido vehículos que alcanzan grandes velocidades piloteados vía

radio (Figura 3 y 4).

Figura 1. Comet III

Fuente: http://www.paritarios.cl/ciencia_robot_salva%20_vidas.html

3 Vehículos teleoperados. En: Sistemas de percepción y control [en línea]. España. Disponible en Web: < http://www.s-pc.com/productos_vehiculos.html>.

17

Figura 2. S-PC

Fuente: http://www.s-pc.com/productos_vehiculos.html

Figura 3. Vehículo manejado vía radio

Fuente: http://www.s-pc.com/productos_vehiculos.html

18

Figura 4. Vehículos desarrollados

Fuente: http://www.s-pc.com/productos_vehiculos.html

También se puede destacar el proyecto llamado Sojourner Rover4 (Figura 5 y 6),

que consiste en un pequeño vehículo robotizado de seis ruedas, construido por el

JET PROPULSIÓN LABORATORY de la nasa, diseñado para ser enviado a Marte

dentro del Mars Pathfinder (Misión enviada a Marte en 1996) , con capacidad de

transmitir imágenes y realizar experimentos en el suelo de Marte. Las medidas del

ROVER son: 65 centímetros de largo, 48 cm de ancho, y 30 cm de altura. El

sistema de alimentación del ROVER está compuesto de un arreglo de paneles

solares y una electrónica de potencia para su adecuado manejo y distribución.

Cuenta con la capacidad de moverse en terrenos difíciles y rocosos, ya que posee

seis ruedas dotadas de 3 grados de libertad que le permite adaptarse a terrenos

difíciles.

4 Mars Pathfinder. En: Wikipedia [en línea]. Abril 2010. Disponible en Web: < http://es.wikipedia.org/wiki/Mars_Pathfinder>.

19

Figura 5. Sojourner Rover

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Rover_Sojourner_lmb.png

Figura 6. Partes del Sojourner Rover

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Rover_Sojourner_lmb.png

En nuestro país existen proyectos académicos desarrollados por estudiantes de

diferentes universidades sobre robots móviles. Uno de estos proyectos fue

20

realizado por Oscar Iván Morales Solano y Asdrúbal Toledo Dueñas5 estudiantes

de la facultad de ingeniería de diseño y automatización electrónica de la

Universidad de la Salle de Bogotá en 2006. El proyecto consistía en diseñar un

vehículo explorador tele controlado con un sistema de adquisición de video a

bordo, dotado de sensores de temperatura y gases; la dirección del vehículo se

controlo por medio de un sistema inalámbrico de radiofrecuencia.

Otro proyecto de vehículos no tripulados fue realizado por Javier Betancur y

Leonardo Arbeláez6, estudiantes de la Universidad de EAFIT de Medellín en 2004.

El objetivo principal de este proyecto era diseñar un vehículo no tripulado para

labores de desminado humanitario. Básicamente era un mecanismo que ejercía

presión al piso y con esto lograba activar las minas; este vehículo contaba con un

blindaje que soportaba las descargas explosivas y además tenía un sistema de

mando a distancia.

Según el artículo publicado en Wayerless7, los acelerómetros son pequeños

dispositivos que actualmente rodean el entorno del ser humano; estos son

empleados en la mayoría de aparatos que se usan a diario, pero de los cuales no

se había tenido gran conocimiento hasta hace unos pocos años, cuando los

celulares innovaron en el uso de los acelerómetros. Estos dispositivos han sido

usados en los airbags de los automóviles, para detectar si se produjo un

verdadero choque o solo fue una frenada brusca. También es muy común verlos

en las cámaras digitales, donde son utilizados para la estabilización de la imagen.

Los celulares actualmente usan estos dispositivos para girar la imagen de la

pantalla o para cambiar canciones con un solo movimiento del celular (ver Figura 5 MORALES, Oscar Iván y TOLEDO, Asdrúbal. Diseño vehículo explorador. Trabajo de grado. Ingeniería de diseño y automatización electrónica. Bogotá D.C. Universidad de la Sallé. 2006. 123 p. 6 BETANCUR, Javier y ARBELÁEZ, Leonardo. Vehículo no tripulado para tareas de desminado humanitario masivo. Trabajo de grado. Ingeniería mecánica. Medellín. Universidad EAFIT. 2004. 210 p. 7 El boon de los acelerómetros. En: Wayerless [en línea]. 6 junio 2009. Disponible en Web: <http://www.wayerless.com/2009/06/el-boom-de-los-acelerometros-w-guia/>.

21

7). Las aplicaciones de estos dispositivos en celulares son amplias, como por

ejemplo las aplicaciones para los juegos que implemento el iPhone y el iPod

Touch inicialmente (ver Figura 8).

Figura 7. Acelerómetro en teléfonos móviles

Fuente: http://www.celularis.com/wp-content/uploads/2009/04/iphone_acelerometro-450x363.png

Figura 8. Juegos con acelerómetros

Fuente: http://www.wayerless.com/2009/06/el-boom-de-los-acelerometros-w-guia/

22

En combinación con un GPS, el acelerómetro ofrece mucho potencial. Cuando ya

se conoce la posición gracias al satélite, se pueden aportar mas datos gracias a

estos sensores, como frenadas, curvas, velocidades, etc. (inclusive, cuando un

GPS pierde la señal del satélite durante unos segundos, los acelerómetros se

encargan de auxiliarlos calculando la ubicación del objeto).

La aplicación de realidad aumentada utilizada en el teléfono celular Android,

Wikitude, es un gran ejemplo de la combinación entre un GPS y un acelerómetro.

Esta aplicación le permite al teléfono saber no sólo cuándo esta frente a un POI

(Punto Geográfico de Interés histórico o turístico), sino también hacia dónde está

apuntando exactamente la cámara del teléfono. La idea es desplegar videos, fotos

o textos en tiempo real con información de lo que se está mirando (ver Figura 9).

Figura 9. Combinación GPS y acelerómetro.

Fuente: http://www.javipas.com/2009/08/26/realidad-aumentada-un-invento-futurista/

23

Una de las aplicaciones más famosas del acelerómetro, es la que usa el Nintendo

Wii. Esta consola de video juegos, cambió totalmente la forma de divertirse frente

a un televisor. El Wii utiliza el acelerómetro para imitar los movimientos del jugador

y representarlos en la pantalla del televisor; lo único que debe hacer el usuario es

realizar los movimientos que desea que imite el juego, usando un control en el

cual esta insertado el acelerómetro encargado de sensar los movimientos que el

usuario realiza y así enviar la orden, mediante cable en algunos casos, a la

consola para que también los haga (Figura 10).

Figura 10. Acelerómetro en el Nintendo Wii.

Fuente: http://zimmydoom.wordpress.com/2009/02/03/wtf-con-el-wii/

Otra aplicación para los acelerómetros es la implementada por la compañía

AnthroTronix, ubicada en Maryland, que publico “Fieras de la ingeniería8” en un

artículo, donde se muestra el desarrollo de unos guantes equipados con

acelerómetros y sensores que reconocen los movimientos de la mano para así

8 Guantes equipados con acelerómetros de grandes prestaciones en control. En: Fieras de la ingeniería [en línea]. Disponible en Web: < http://www.fierasdelaingenieria.com/guantes-equipados-con-acelerometros-de-grandes-prestaciones-en-control/>.

24

poder realizar funciones especificas (el movimiento que la mano realiza). El

dispositivo es denominado Acceleglove (ver Figuras 11 y 12), este dispositivo

viene con un sistema de código abierto para permitir a los usuarios tener control

total sobre la potencialidad de esta herramienta, transmitiendo la información

desde el guante a la computadora usando una conexión USB.

Figura 11. Acceleglove

Fuente: http://www.fierasdelaingenieria.com/guantes-equipados-con-acelerometros-de-grandes-

prestaciones-en-control/

Figura 12. Acceleglove en uso

Fuente: http://www.fierasdelaingenieria.com/guantes-equipados-con-acelerometros-de-grandes-

prestaciones-en-control/

25

Al combinar los acelerómetros con otros sensores se pueden obtener muy buenas

aplicaciones, como en el caso del Segway9 (ver Figuras 13 y 14). Este dispositivo

en combinación con giroscopios, logra una movilidad en dos ruedas manteniendo

el equilibrio y desplazando al usuario hacia donde este desee, con solo inclinar su

cuerpo.

Figura 13. Componentes del Segway.

Fuente: http://www.segwaycol.com/soporte.htm

9 Características. En: Segway [en línea].Disponible en Web: <http://www.segwaycol.com/quienessomos.htm>.

26

Figura 14. Segway

Fuente: http://www.segwaycol.com/productos.htm

1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

Los vehículos tele operados pueden llegar a ser de mucha utilidad en el entorno

en el que el ser humano se desenvuelve hoy en día, en donde las diferentes

capacidades físicas de las personas, facilitan o dificultan las diferentes actividades

del diario vivir. Un ejemplo de ello sucede en los supermercados, en donde una

persona con discapacidad física no tiene la facilidad en manejar los carros del

mercado, haciendo que la actividad de compra sea agotadora para ellos. Los

vehículos tele operados pueden llegar a ser de mucha utilidad en estos casos;

pero uno de los inconvenientes que poseen estos vehículos es la forma de

manejarlos. Los vehículos no tripulados en su mayoría son manejados por

controles de gran volumen y complejidad, que requieren plena atención y

concentración de quien los maneje. Un vehículo que sea manejado fácilmente a

cierta distancia, sin necesidad de que el usuario preste demasiada atención al

control y dirección de este, podrá hacer que esta actividad, que para muchos es

muy común y sencilla de realizar, sea mucho más fácil para las personas que

tienen algún tipo de discapacidad física. La motorización de sillas de ruedas con

mandos sensoriales, mejoraría la calidad de vida de personas discapacitadas al

27

lograr que esta se mueva con la inclinación de la mano hacia adelante, hacia

atrás, derecha o izquierda. ¿Cómo diseñar e implementar un mando de control para un vehículo teleoperado?

1.3 JUSTIFICACIÓN

Se ve la necesidad y utilidad de este tipo de vehículo en el mundo para

desempeñar diferentes labores que faciliten el trabajo de las personas o den

igualdad de condiciones en algunas labores básicas del entorno en el que el ser

humano se mueve hoy en día. La necesidad de anular cualquier tipo de control

utilizando un acelerómetro que permita al operario manejar este vehículo con un

simple movimiento o simplemente caminado y haciendo que este lo siga, puede

facilitar al operario la realización de otra actividad paralela al manejo del vehículo.

Esta forma de manejo de vehículos puede ser implementada en almacenes,

bodegas, entre otros, en donde el vehículo siga a su operario mientras este

camina y selecciona productos colocándolos dentro del vehículo sin prestar

atención a la conducción de este. También podría se implementado en las sillas

de ruedas de personas discapacitadas para facilitar la movilidad de esta,

mejorando la calidad de vida de estas personas.

1.4 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN

1.4.1 Objetivo general. Diseñar e implementar un mando de control para un

vehículo teleoperado.

28

1.4.2 Objetivos específicos.

Establecer el diagrama de flujo tanto para el vehículo como para el control de

mando.

Seleccionar los sensores más adecuados para el manejo del vehículo.

Determinar los dispositivos de control que se usaran tanto para el vehículo

como para el control de mando.

Seleccionar el protocolo de comunicación que se usara entre sistema de control

y vehículo.

Seleccionar los motores y actuadores que se usaran para el movimiento del

vehículo.

Realizar pruebas de funcionamiento con los sensores, el protocolo de

comunicación y alcance entre el vehículo y el mando, y pruebas finales de

funcionamiento del vehículo tele operado.

1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES DEL PROYECTO El vehículo tendrá un tamaño aproximado de 17 cm de altura, 22 cm de ancho y

30 cm de largo.

La forma de movimiento será similar a la de un carro real, en dos ejes, eje x

(adelante, atrás) y eje y (izquierda y derecha).

El vehículo no estará en capacidad de subir ni bajar escaleras ni de saltar

obstáculos.

29

2. METODOLOGÍA

De acuerdo con las políticas para la investigación establecidas por la Universidad,

el enfoque de la investigación es Empírico-Analítico ya que la finalidad del

proyecto es la de diseñar e implementar la construcción de un vehículo tele

operado. Se elije este enfoque debido a que el interés del proyecto es técnico,

orientado a la verificación de las aseveraciones teóricas con la experimentación.

30

3. LÍNEA DE INVESTIGACIÓN DE USB / SUB-LÍNEA DE FACULTAD /

CAMPO TEMÁTICO DEL PROGRAMA

Para este proyecto la línea de investigación institucional es la de tecnologías

actuales y de sociedad, ya que el proyecto a desarrollar se desenvuelve en un

entorno actual usando la tecnología con mayor furor y empleándola en beneficio

de la sociedad; la sub-línea de la facultad es instrumentación y control de procesos, ya que se pretende controlar un vehículo utilizando instrumentos que

miden la sensibilidad del movimiento; y el campo temático del programa es

control, debido a la finalidad del proyecto que consiste en manejar un vehículo

mediante un control que posee un acelerómetro, que sensa el movimiento con

respecto a la gravedad de la tierra.

31

4. DESARROLLO INGENIERIL

El trabajo será dividido en dos grandes etapas de desarrollo. La primera estará

enfocada en el control de mando, donde se incluyen los sensores, la etapa de

control del proceso y el sistema de comunicación entre el control y el vehículo.

La segunda etapa se enfoca en el vehículo, la cual está compuesta por: etapa de

recepción del sistema de comunicación, el dispositivo de control, la etapa de

potencia, y los actuadores (motores).

En Figura 15 se muestra el diagrama en bloques general del sistema, en donde

aparecen las dos partes que lo conforman, unidas por medio de una línea de

comunicación unidireccional.

Figura 15. Diagrama en bloques del sistema.

Fuente: Propia

4.1 CONTROL DE MANDO Esta etapa del proyecto se enfocara en el control de mando, determinando los

sensores usados, la etapa de conversión A/D y el sistema de comunicación entre

el control de mando y el vehículo.

Control De Mando Vehículo

32

En la Figura 16 se muestra el diagrama en bloques del control de mando:

Figura 16. Diagrama en bloques del control de mando.

Fuente: Propia

El sensor es el encargado de tomar una señal mecánica (movimiento de la mano)

y transformarla a una señal de electrónica (voltaje). Luego es enviada al

microcontrolador en donde se hace la conversión A/D de esta señal, para

posteriormente pasar a la etapa de transmisión y enviarla hacia el vehículo.

4.1.1 Sensores. En esta etapa del proyecto se hace la elección del sensor que se

usará para la movilidad del vehículo, mostrando las diferentes características de

los sensores existentes y sus fabricantes.

Los sensores son dispositivos que pueden medir magnitudes físicas o químicas,

las cuales son llamadas variables de instrumentación, y convertirlas en variables

eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser: temperatura, intensidad

lumínica, aceleración, torsión, fuerza, presión, etc. Estas pueden ser convertidas

en variables eléctricas como resistencias eléctricas, capacitancias eléctricas y

corriente.

Un sensor transforma la magnitud a medir o controlar, en otra, para facilitar su

medida. Pueden ser de indicación directa, como un termómetro que muestra su

resultado sin necesidad de adaptaciones; o pueden estar conectados a un

Sensor MicrocontroladorConversor A/D Transmisión

33

indicador, el cual puede ser un conversor análogo-digital o un display, de modo

que los valores detectados puedan ser leídos por un humano.

Generalmente la señal de salida de estos sensores no está adaptada para su

lectura directa, ni para su procesamiento, por lo que se usa un circuito de

acondicionamiento, el cual incluye amplificadores y filtros electrónicos que adaptan

la señal para usos específicos.

4.1.1.1 Tipos de sensores. Actualmente existe gran variedad de sensores,

dependiendo del uso y de la señal que se desea sensar. En la tabla 1 se muestran

algunos tipos de sensores existentes en el mercado, clasificados dependiendo de

las magnitudes que manejan.

Tabla 1. Tipos de sensores

Magnitudes Transductor Característica

Posición lineal o angular Potenciómetro Analógica

Encoder Digital

Desplazamiento y

deformación

Galga extensiométrica Analógica

Magnetoestrictivos A/D

Magnetorresistivo Analógica

Aceleración Acelerómetro Analógico

Velocidad lineal y angular Encoder Digital

Giróscopo

Fuente: Propia.

Ya que el objetivo principal de este trabajo es diseñar un control de mando para un

vehículo sin la necesidad de utilizar palancas ni botones para utilizarlo, se llega a

la conclusión de que el mejor sensor que se puede utilizar para determinar el

34

movimiento del control es el acelerómetro, ya que este puede determinar el

movimiento del control con respecto a la gravedad de la tierra sin necesidad de

mover palancas o presionar botones.

4.1.1.2 Acelerómetro.

Fundamentos Básicos. La forma de medir la aceleración, según sustenta en

su tesis Rubén Fernández10, es basándose en el principio descubierto por Isaac

Newton en 1687. La segunda ley de Newton dice: “la fuerza neta aplicada sobre

un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere dicho cuerpo”. La forma

matemática de expresar esta ley está dada por la siguiente ecuación que relaciona

la fuerza (F), la masa (m) y la aceleración (a):

F = (m · a)

a = F / m

Por tanto la fuerza ejercida sobre un cuerpo es directamente proporcional al

producto entre la masa (constante) de dicho cuerpo por la aceleración.

La aceleración y la fuerza son magnitudes vectoriales, tienen una dirección y un

sentido, lo que quiere decir que pueden ser de signo negativo o positivo. En el sistema internacional de medida las unidades de estas variables son:

Fuerza en Newtons [N]

Masa en Kilogramos [kg]

Aceleración en metros por segundo cuadrado [m/s²]

10 FERNÁNDEZ, Rubén. Sistema de adquisición de posicionamiento geográfico. Trabajo de grado. Ingeniería técnica de telecomunicaciones. España. Universidad Politécnica de Cataluña. Facultad de Ingeniería. 2007. P. 19.

35

La detección de la fuerza que es ejercida sobre una masa por una limitación

elástica es el principio fundamental de los acelerómetros (figura 17).

Figura 17. Principio Fundamental de un acelerómetro

Fuente:http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/4453/1/Sistema%20de%20Adquisici%C3%

B3n%20de%20Posicionamiento%20Geogr%C3%A1fico.pdf

Se tiene una masa m que se encuentra suspendida en uno de los extremos del

resorte y cuya constante de proporcionalidad es k, que se desplaza una distancia

y; en donde la aceleración que sufre el sistema debida a la fuerza restauradora del

resorte es F = k · x. La aceleración es a= [(k · x) / m].

De esta forma se puede derivar la aceleración observando el desplazamiento x de

la masa fija. Esto indica que la aceleración es el cambio de velocidad. Y se mide

en m/s², o en g (donde 1g = 9.81 m/s²).

F = k (x – y) = (m · a)

Donde:

k: es la constante elástica del resorte.

x – y: es la deformación.

m: es la masa.

36

a: la aceleración el cuerpo.

Tipos de acelerómetros.

Acelerómetros mecánicos. Emplean una masa inerte y resortes elásticos.

Los cambios se miden con galgas extensiométricas(), incluyendo sistemas de

amortiguación que evitan la propia oscilación. En este tipo de acelerómetro, una (o

más) galgas extensométricas hacen de puente entre la carcasa del instrumento y

la masa inercial, la aceleración produce una deformación de la galga que se

traduce en una variación en la corriente detectada por un puente de Whetstone, la

deformación es directamente proporcional a la aceleración aplicada al

acelerómetro (Figura 18).

Figura 18. Esquema de un Acelerómetro Mecánico

Fuente: http://content.honeywell.com/sensing/sensotec/accelerometer_faq.asp?category=All

Acelerómetros piezoeléctricos. Se basa en una deformación física del

material, según argumenta Rubén Fernández11 en su tesis, que causa un cambio

en la estructura cristalina y así cambian las características eléctricas. Su principal

() Dispositivo electrónico que puede medir deformaciones. Ante una variación en la estructura del material de la galga se producirá una variación de su resistencia eléctrica. Los materiales que suelen utilizarse para realizar galgas son aleaciones de Cobre y níquel, platino y silicio. 11 FERNÁNDEZ, Rubén. Sistema de adquisición de posicionamiento geográfico. Trabajo de grado. Ingeniería técnica de telecomunicaciones. España. Universidad Politécnica de Cataluña. Facultad de Ingeniería. 2007. P. 24.

37

inconveniente radica en su frecuencia máxima de trabajo y en la incapacidad de

mantener un nivel permanente de salida ante una entrada común.

El funcionamiento de este tipo de acelerómetros se basa en las propiedades de

los cristales piezo-eléctricos. Estos cristales cuando son sometidos a alguna

fuerza producen una corriente eléctrica, a causa de la variación de su estructura

cristalina (ver Figura 19).

Figura 19. Acelerómetro piezoeléctrico

Fuente: http://www.azimadli.com/vibman-spanish/elacelermetro.htm

Poniendo un cristal de este tipo entre la base (unida al objeto cuya aceleración se

quiere medir) y una masa inercial se producirá una corriente cuando ocurra una

aceleración ya que la masa ejercerá una fuerza sobre el cristal. Midiendo esta

corriente se puede calcular la aceleración, bien directamente si se trata de un

acelerómetro de salida de corriente (culombios/g) o bien convirtiéndola a un voltaje

de baja impedancia si se trata de un acelerómetro de salida de voltaje.

En el mercado se pueden encontrar diversos tipos de sensores (acelerómetros)

con distintos valores de sensibilidad, alcance, banda de frecuencia de uso, etc.

38

Los sensores piezoeléctricos pre-amplificados son cada vez más usados debido a

la comodidad de su uso, ya que producen un valor de tensión proporcional a la

excitación aplicada, a la salida del amplificador y su comportamiento resulta

independiente del conexionado exterior, puesto que la carga y la resistencia de

entrada del amplificador se mantienen constantes siempre. Este tipo de sensores

requiere de alimentación.

Acelerómetros piezorresistivos. Un acelerómetro piezorresistivo a

diferencia de uno piezoeléctrico utiliza un sustrato en vez de un cristal

piezoeléctrico, según el artículo publicado por Honeywell12, en esta tecnología las

fuerzas que ejerce la masa sobre el sustrato varían su resistencia, que forma parte

de un circuito que mediante un puente de Whetstone mide la intensidad de la

corriente. La ventaja de esta tecnología respecto a la piezoeléctrica es que pueden

medir aceleraciones hasta de cero Hz de frecuencia (Figura 20). Figura 20. Acelerómetro piezoresistivo

Fuente: http://content.honeywell.com/sensing/sensotec/accelerometer_faq.asp?category=All

12 How does a piezo-electric accelerometer work?. En: Honeywell [en línea]. Disponible en Web: < http://content.honeywell.com/sensing/sensotec/accelerometer_faq.asp?category=All>.

39

Acelerómetros capacitivos. Según afirma Rubén Fernández13 en su trabajo

de grado. este dispositivo se basa en la variación de capacitancias entre dos

conductores entre los cuales existe un dieléctrico. Estos acelerómetros están

integrados por un grupo de capacidades fijas y por un grupo de placas centrales

que se encuentran unidas por anillos elásticos que dejan que estas se muevan.

En la figura 21 se muestra el fundamento básico de un acelerómetro basado en

capacitores. Las zonas más oscuras son las capacitancias fijas del circuito.

Figura 21. Esquema interno de un acelerómetro capacitivo

Fuente: Propia

El funcionamiento básico consiste en que mientras la placa que se encuentra en

medio de las dos capacitancias este en el centro, estas capacidades serán iguales

es decir Ca = Cb (Figura 22). Donde d es la distancia entre la placa central y las

capacitancias fijas.

13 FERNÁNDEZ, Rubén. Sistema de adquisición de posicionamiento geográfico. Trabajo de grado. Ingeniería técnica de telecomunicaciones. España. Universidad Politécnica de Cataluña. Facultad de Ingeniería. 2007. P. 22.

40

Figura 22. Capacitancias iguales Ca = Cb

Fuente: Propia

Si se presenta alguna variación de la distancia entre la placa que se encuentra

entre las dos capacitancias y estas, una de las capacitancias aumenta y la otra

disminuye, tal como se ve en la Figura 23, donde z es el desplazamiento y es igual

a z= (x – y).

Figura 23. Variación en las capacitancias

Fuente: Propia

41

Acelerómetros microelectromecánicos (MEMS). Los avances en la

tecnología micro mecánica, ha permitido que estos dispositivos puedan ser usados

en gran variedad de circuitos. Los acelerómetros están entre los primeros

productos de micro sistemas (MST/MEMS) desarrollados. Los sensores

micrómetro-clasificados tienen la capacidad de medir e interpretar los movimientos

tales como: aceleración, vibración, choque e inclinación. Actualmente se fabrican

un gran volumen y a un bajo costo. Los acelerómetros están en la mejor posición

para moverse con éxito hacia otras aplicaciones, tales como el área médica,

industrial y de transporte. Con relación a la tecnología básica, distinguimos tres

categorías principales de acelerómetros de MEMS: el capacitivo de silicio, el

piezoresistivo y, finalmente, los acelerómetros térmicos (ver Figura 24)

Los fabricantes que usan acelerómetros capacitivos son: DI, Bosch, Denso,

Freescale, Analog Devices, Colibrys, VTI.

Figura 24. Acelerómetros MEMS

Fuente: http://www.neoteo.com/aplicaciones-de-mems-para-telefono-movil.neo

42

4.1.1.3 Elección del sensor. Para la selección del acelerómetro que se usará, se

hace un cuadro comparativo con los tipos de acelerómetros existentes en el

mercado (Tabla 2). También se mostrará un cuadro comparativo de los diferentes

modelos de acelerómetros (Tabla 3), para así poder elegir el acelerómetro

adecuado.

Tabla 2. Tipos de acelerómetros.

Tipo Margen de medida Ventajas y desventajas

MEMS 1.5g - 250g Alta sensibilidad

Costo medio

Fácil uso

Piezoeléctrico 0g – 2000g Sensibilidad media

Complejo uso

No funciona en respuesta continua.

Piezoresistivo 0g – 2000g Alta sensibilidad

Bajo costo

Respuesta en alterna y continua.

Capacitivo 0g – 1000g Funciona en continua

Bajo ruido.

Baja potencia

Bajo costo

Mecánico 0g - 200g Alta precisión en continua.

Lentos

Alto costo.

Fuente: Propia

43

Tabla 3. Diferentes modelos de acelerómetros.

Modelo Fabricante Aceleración Alimentación Sensibilidad

ADXL325 ANALOG14 ±5 g 2,4 V- 6 V 174 mV/g

ADXL210 ANALOG ±10 g 3 V - 6 V 40mV /g

ADXL326 ANALOG ±3 g 1,8 V - 3,6V 300 mV/g

MMA7260QT

Freescale15

1.5g/2g/4g/6g

2.2 V – 3.6 V 1.5g= 800mV/g

2 g= 600mV/g

4g= 300mV/g

6g= 200mV/g

MMA7361L Freescale ± 1,5 g/ ± 6g 2,2 V - 3,6 V 1.5g= 800mV/g

6g= 206mV/g

Fuente: Propia

Para la elección de sensor se tuvo en cuenta, la disponibilidad en el mercado, la

facilidad de uso, el tamaño, ya que el control debe ser lo más pequeño y delgado

que sea posible, y por último que cumpla con las características para el buen

desempeño del proyecto. Por todo lo anterior se decidió que el acelerómetro que

mejor se ajusta a estas características el MMA7260QT, ya que este dispositivo es

fácil del conseguir en el mercado, las funciones que brinda se acomodan a las

necesidades del proyecto, es muy económico y muy fácil de manejar.

El acelerómetro MMA7260QT, es un acelerómetro capacitivo, que como se

menciono anteriormente, trabaja con dos placas conductoras paralelas tipo

electrodo con un área de exposición y una masa suspendida por medio de un

elemento con rigidez. Entre la masa y los electrodos existe una distancia base

simétrica, que se controla con precisión, por lo que el aire que existe en el hueco

14 Low g iMEMS Accelerometers. En: ANALOG DIVICES [en línea]. Disponible en Web: <http://www.analog.com/en/sensors/inertial-sensors/products/index.html>. 15

Acelerometers Low g. En: Freescale [en línea]. Disponible en Web: <http://www.freescale.com/webapp/sps/site/taxonomy.jsp?nodeId=01126911184209>.

44

entre cada electrodo y la masa sísmica forma un “capacitor mecánicamente

variable”. El cambio en la distancia entre las placas corresponde a los cambios en

la capacitancia. Estos acelerómetros incorporan circuitos micro-eléctricos que

usan puentes capacitivos para convertir el cambio de capacitancia a una señal de

voltaje útil proporcional a la aceleración.

Según la hoja de datos (datasheet) suministrado por Freescale16, el sensor tiene

un encapsulado de tipo superficial con 16 pines. Sus dimensiones son de 6[mm] x

6[mm] x 1,45[mm]. En la figura 25 se muestra el acelerómetro visto desde abajo y

en la figura 26 se muestra una vista desde arriba, con la correspondiente

distribución de pines; en la figura 27 se podrá apreciar el sensor MMA7260QT.

Figura 25. MMA7260QT vista desde abajo.

Fuente: Datasheet MMA7260QT (Anexo A)

16 ±1.5g - 6g Three Axis Low-g Micromachined Accelerometer. En: Freescale [en linea]. Disponible en Web: < http://www.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MMA7260QT.pdf>

45

Figura 26. MMA7260QT vista desde arriba con distribución de pines.

Fuente: Datasheet MMA7260QT (Anexo A)

Las características principales de este dispositivo electrónico son:

• Selección del nivel de sensibilidad mediante la conexión de los pines g-Select1 y

g-Select2 (pines 1 y 2) como lo muestra la tabla 4.

Tabla 4. Selección de nivel de sensibilidad del MMA7260QT.

Fuente. Datasheet MMA7260QT (Anexo A)

• Su voltaje de operación es de 2.2 [V] - 3.6 [V]

• Posee un bajo consumo de corriente el cual es de 500[μA]

46

• Posee modo “sleep” o de bajo consumo de 3[μA]

• Viene en encapsulado superficial de 6[mm] x 6[mm] x 1.45[mm]

• Cuenta con un filtro pasa bajo integrado

• Posee un diseño robusto resistente a los golpes

• Posee un bajo costo

• No contiene plomo en los terminales

Figura 27. Acelerómetro MMA7260QT Seleccionado.

Fuente: Propia

4.1.2 Microcontrolador. En esta parte del desarrollo se hablara de los diferentes

tipos de micro controladores que se tuvieron en cuanta para la elección final del

microcontrolador que se usara para convertir la señal análoga que sale del sensor

en digital, para así poder ser transmitida al vehículo.

En su libro Fernando Valdés y Ramón Pallas17 hablan de que un microcontrolador

son circuitos integrados que contienen los recursos fundamentales en un

17 VALDÉS, Fernando y PALLAS, Ramón. Componentes de un microcontrolador. En: Microcontroladores: fundamentos y aplicaciones con PIC. España. 2007. P. 14-24.

47

microcomputador, como la unidad central de procesamiento (CPU), la memoria y

los recursos de entrada y salida, en un único circuito integrado (ver Figura 28).

Figura 28. Diagrama de bloques de un microcontrolador.

Fuente: Microcontroladores: fundamentos y aplicaciones con PIC, Fernando E. Valdés y Ramon

Pallás Areny. Página 14.

Los microcontroladores tienen un oscilador que genera los pulsos que sincronizan

todas las operaciones internas. Aunque este puede ser de tipo RC, normalmente

se usa un cristal de cuarzo (XTAL), ya que este tiene una gran estabilidad de

frecuencia. La velocidad de ejecución de las instrucciones del programa está en

relación directa con la frecuencia del oscilador del microcontrolador.

La CPU es el cerebro del microcontrolador; está ejecuta una a una las

instrucciones del programa, las decodifica y las interpreta. La CPU dispone de

registros, unos que son de propósito general, y otros de propósitos específicos,

como por ejemplo el Registro de Instrucción (RI) que es el encargado de

almacenar la instrucción que está siendo ejecutada por la CPU, el Acumulador

(ACC) que es el registro de las operaciones aritméticas y lógicas que se pueden

48

realizar, el Registro de Estado (STATUS) que es el encargado de agrupar los bits

indicadores de las características del resultado de las operaciones aritméticas y

lógicas realizadas como el signo del resultado o si el resultado es cero, el

Contador de Programa (CP) es el registro de la CPU donde se almacenan

direcciones de instrucciones y el Registro de Direcciones de Datos (RDD) que

almacena direcciones de datos situados en la memoria.

En la memoria del microcontrolador es donde se guardan las instrucciones del

programa y los datos que utiliza. Existen dos tipos de memoria en los

microcontroladores: la memoria RAM (Random Access Memory) que es de lectura

y escritura y es volátil, ya que pierde la información almacenada cuando no tiene

energía de alimentación. La memoria ROM (Read Only Memory) es de solo lectura

y no volátil.

La memoria EPROM se usa para almacenar permanentemente el programa que

debe ser ejecutado por el microcontrolador y en la memoria RAM se almacenan

los datos temporales.

En los microcontroladores las entradas y salidas son importantes ya que a través

de ellas es que interactúan con el exterior. Los puertos paralelo y serie y los

temporizadores pertenecen a la entrada y salida. El microcontrolador también

puede incluir entradas y salidas análogas asociadas a convertidores Análogo-

Digitales o viceversa.

Existen dos tipos de arquitecturas para el modelamiento general del hardware:

arquitectura Von Neumann (Figura 29 a), que utiliza una memoria única para

instrucciones y datos, esto significa, que con un mismo bus de direcciones se

localizan o direccionan instrucciones y datos y que por un único bus de datos

transitan las instrucciones y los datos. La señal de control que emite la CPU para

leer un dato es igualmente usada para leer una instrucción. La arquitectura

49

Harvard utiliza memorias separadas para instrucciones y datos. La memoria de

programa que almacena las instrucciones tiene un bus de direcciones, uno de

datos y un bus de control. La memoria de datos tiene sus buses independientes

también para direcciones, datos y control. La memoria de programa es de solo

lectura y la de datos es de lectura y escritura. La arquitectura Harvard tiene una

mayor velocidad de ejecución de los programas (Figura 29 b). Figura 29. Arquitecturas (a) Von Neumann y (b) Harvard.

Fuente: Microcontroladores: fundamentos y aplicaciones con PIC, Fernando E. Valdés y Ramón

Pallás Areny. Página 23.

4.1.2.1 Microcontroladores PIC (Computadores Programables Inteligentes). Como dicen Valdés y Pallas18 en si libro, estos microcontroladores están basados

en la arquitectura Harvard, con memorias de programa y de datos separadas. La

memoria de programa tiene palabras de 12, 14 ó 16 bits y la memoria de datos

tiene registros de 8 bits. Los PIC son microcontroladores que tienen un número

18 VALDÉS, Fernando y PALLAS, Ramón. Microcontroladores PIC. En: Microcontroladores: fundamentos y aplicaciones con PIC. España. 2007. P. 29-51

50

pequeño de instrucciones: entre 33 y 77. Constan de un registro de trabajo

(registro W) y con registros de la memoria de datos. Para las operaciones

aritméticas y lógicas, uno de los operando debe estar en el registro W y el

resultado se da en W o en otro registro de la memoria de datos. Las transferencias

de datos se realizan entre un registro de la memoria de datos y el registro W. los

PIC usan la técnica de segmentado para la ejecución de las instrucciones, en dos

etapas, de forma que las instrucciones se ejecutan en un ciclo de instrucciones

que equivalen a 4 pulsos del oscilador principal del microcontrolador, exceptuando

las instrucciones de transferencia de control que toman dos ciclos de instrucción.

Los PIC tienen gran cantidad de dispositivos de entrada y salida. Puertos paralelos

de 8 bits, temporizadores, puertos serie sincrónicos y asincrónicos, convertidores

A/D de aproximaciones sucesivas de 8 y 10 bits, convertidores D/A, moduladores

de ancho de pulso PWM (Pulse With Modulation) entre otros.

Los microcontroladores PIC tiene la opción de elegir entre osciladores RC, cristal

de cuarzo y externo. Algunos tiene un oscilador RC interno de aproximadamente 4

MHz. Si se aumenta la frecuencia del oscilador principal, la duración de los cic los

de maquina se acortan y así el tiempo de ejecución de las instrucciones

disminuye, pero con esto se aumenta el consumo de energía.

Figura 30. Oscilador de cristal.

Fuente: Microcontroladores: fundamentos y aplicaciones con PIC, Fernando E. Valdés y Ramón

Pallás Areny. Página 35.

51

En la figura 30 se observa un oscilador de cristal, en el que los condensadores C1

y C2 tienen un valor que varía entre 15 pF y 68 pF para un cristal (XTAL) de 4

MHz. El oscilador RC de la figura 31 tiene una resistencia REXT cuyo valor está

entre 3 KΩ a 100 KΩ, y el condensador CEXT es mayor a 20 pF. Figura 31. Oscilador RC.

Fuente: Microcontroladores: fundamentos y aplicaciones con PIC, Fernando E. Valdés y Ramón

Pallás Areny. Página 35.

Familias de microcontroladores PIC. En la tabla 5 se puede observar la

nomenclatura de los diferentes tipos de microcontroladores, esta tabla muestra

una información importante a la hora de escoger un microcontrolador ya que ahí

se consignan los voltajes en que en microcontrolador trabaja adecuadamente. Por

ejemplo el PIC16F873 o el PIC16F877 trabaja a 4.5 V o a 6 V; además en la tabla

se encuentra el tipo de memoria que este tiene.

Tabla 5. Nomenclatura de los PICs.

LETRAS ALIMENTACIÓN MEMORIA

C 4.5-6.0 V EPROM

CR 4.5-6.0 V ROM

F 4.5-6.0 V FLASH

LC 2.5-6.0 V EPROM

52

LCR 2.5-6.0 V ROM

LF 2.0-6.0 V FLASH

Fuente: Propia.

Según el tamaño de sus instrucciones, los microcontroladores PIC pueden

clasificarse en 3 grupos:

Gama Baja: Tienen 33 instrucciones de 12 bits, La memoria de programa es de

512 palabras, 1K ó 2K, y la de datos tiene un tamaño que varía entre 25 y 73

bytes.

Gama Media: Tienen 35 instrucciones de 14 bits. Permite interrupciones y pilas

de 8 niveles

Gama Alta: 55 y 77 instrucciones de 16 bits.

Los PIC también se pueden agrupar en las siguientes 5 familias:

PIC10 (6 terminales), PIC12 (8 terminales e incluyen gama baja y media), PIC16

(incluyen gama baja y media), PIC17 (Gama Alta) y PIC18 (Gama Alta) (tabla 6). Tabla 6. Relación familia–gama de los microcontroladores PIC.

Fuente: Microcontroladores: fundamentos y aplicaciones con PIC, Fernando E. Valdés y Ramon

Pallás Areny. Página 45.

53

4.1.2.2 Microcontrolador HC908 de Freescale. A continuación se mostraran

algunas características de esta familia de microcontroladores del fabricante

Freescale.

Los microcontroladores HC908 (figura 32) según Daniel Di Lella19, tienen ventajas

como: una velocidad máxima de bus de 8MHz en 5V, memoria de programación

de tipo Flash, Timers y conversores A/D flexibles, LVI (supervisión de baja tensión)

y tiene una gran posibilidades de comunicaciones con el exterior, ya que puede

usar el PWM, módulos analógicos, sensores de temperatura internos, etc.

Figura 32. Microcontrolador HC908.

Fuente: http://www.edudevices.com.ar/download/articulos/cursoMCUs/ParteII_Capitulo_2.pdf

El componente principal de los de los HC908 es la CPU 08. La comunicación de

la CPU con el resto de los componentes del sistema es a través de un Bus de

datos de 8 bits y un Bus de direcciones de 16 Bits. Esta CPU tiene una

arquitectura Von Neuman, en donde existe solo un bus de datos que se usa para

la memoria de programas y para la memoria de datos. Como se ve en la figura 33,

la CPU se divide en dos partes, el EXECUTION UNIT (unidad de ejecución), que

contiene la unidad aritmética y lógica que se encarga de las operaciones lógicas

19 DI LELLA, Daniel. En: Curso de Microcontroladores familia HC908 Flash [en línea]. Disponible en Web: <http://www.edudevices.com.ar/download/articulos/cursoMCUs/ParteII_Capitulo_1.pdf, http://www.edudevices.com.ar/download/articulos/cursoMCUs/ParteII_Capitulo_3.pdf>.

54

binarias y los registros internos de la CPU, y el CONTROL UNIT (unidad de

control), la cual contiene la unidad de control y tiempo que controla la unidad de

ejecución (ver Figura 33).

Figura 33. Arquitectura de ejecución CPU08.

Fuente: http://www.edudevices.com.ar/download/articulos/cursoMCUs/ParteII_Capitulo_3.pdf

En la tabla 7 se muestran las características de algunos de los microcontroladores

de esta familia incluidos por Daniel Di Lellan en su curso de microcontroladores20. Tabla 7. Características de algunos dispositivos de la familia HC908.

Dispositivo ROM

(bytes)

RAM

(bytes)

Frecuencia

Bus interno

Encapsulado

68HC908GP32 307 512 8MHz 40-44 pines

68HC908JB8/JB16 960 256 8MHz 44-20 pines

68HC908JK8/JL8 256 8MHz 20-28-32 pines Fuente: Propia 20

DI LELLA, Daniel. En: Curso de Microcontroladores familia HC908 Flash [en línea]. Disponible en Web: <http://www.edudevices.com.ar/download/articulos/cursoMCUs/ParteII_Capitulo_17.pdf>

55

4.1.2.3 Elección del microcontrolador PIC. En esta parte se mostraran las

características de algunos microcontroladores PIC de gama media, en especial de

la familia PIC16F87X (Figura 34), puesto que se determino que esta familia es la

mejor para trabajar, ya que se encuentra con mayor facilidad en el mercado, el

tamaño del encapsulado es el adecuado para esta aplicación, las funciones que

brinda son primordiales para la elaboración del proyecto y es muy económico.

Algunas de las características más importantes que encontramos en la hoja de

datos (datasheet) del PIC16F87X21, son:

Procesador RISC avanzado.

Solo 35 instrucciones con 14 bits de longitud, que se ejecutan en un ciclo de

instrucción, excepto las de salto que tardan dos.

8K palabras de 14 bits para la Memoria de Programa en los modelos 16F876 y

16F877 y 4KB de memoria para los PIC 16F873 y 16F874.

368 Bytes de memoria de Datos RAM.

Pines de salida compatibles para el PIC 16C73/74/76/77.

14 fuentes de interrupción internas y externas.

Modos de direccionamiento directo e indirecto.

Perro Guardián (WDT).

Código de protección programable.

Voltaje de alimentación entre 2 y 5,5 V.

Bajo consumo: menos de 2 mA valor para 5 V y 4 MHz 20 µA para 3V y 32 MHz

menos de 1 µA en standby.

21 Pic16F87X Data Sheet. En: Microchip [en línea]. Disponible en Web: <http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/30292c.pdf>

56

Figura 34. PIC con encapsulado de 28 pines.

Fuente: http://lc.fie.umich.mx/~ifranco/DATASHEET/uC/Manual_PIC16F87X.pdf

Figura 35 .Diagrama de pines del PIC16F877(encapsulado de 40 pines).

Fuente: http://lc.fie.umich.mx/~ifranco/DATASHEET/uC/Manual_PIC16F87X.pdf

57

Algunas diferencias entre los dos encapsulados son los siguientes: el PIC16F873

y el 876 son los modelos que tienen 28 pines y los 16F874 y 877 tienen 40 (Figura

35). Los encapsulados de 40 pines tienen 5 Puertos de E/S: A, B, C, D y E y los

de 28 tienen solo 3 Puertos: A, B y C. Los encapsulados de 40 pines tienen 8

canales de entrada al conversor A/D y los de 28 tienen 5 canales. Los PIC

16F87X de encapsulado de 40 pines son los únicos que poseen el puerto paralelo

esclavo (Ver Tabla 8).

Tabla 8. Características PIC16F873 y PIC16F877

Características 16F873 16F877

Comunicación serie MSSP, USART MMSP, USART

Comunicación paralelo - PSP

Memoria de programa FLASH palabra

14 bits.

4KB 8KB

Puertos E/S A, B y C A, B, C y D

Longitud de la instrucción 14 bits 14 bits

Nº de pines 28 40

Canales A/D 5 8

PWM 2 2

Fuente: Propia

Para la elección del microcontrolador se tuvo en cuenta principalmente su tamaño

(debido que el control del mando debe ser lo más pequeño posible) y su

disponibilidad en el mercado; así que se determino que el mejor microcontrolador

para este proyecto es el PIC16F873. El programa de este microcontrolador solo

realiza la conversión A/D de la señal dada por el sensor y luego la trasmite al

vehículo. El programa se muestra en el Anexo B. En la figura 35 se muestra el

encapsulado del PIC16F873 con sus pines, en la figura 36 se muestra el diagrama

de bloques de los encapsulados de 28 pines.

58

Figura 36. Diagrama de bloques general de los PIC16F873 y PIC16F876.

Fuente: http://melabs.picbasic.com/devicedata/30292b.pdf

59

En la figura 37 se muestra la descripción de los pines de los PIC16F873 y 876.

En el Anexo A se muestran las especificaciones del PIC16F873.

Figura 37. Descripción del Pinout del PIC16F873 y PIC16F876

Fuente: http://melabs.picbasic.com/devicedata/30292b.pdf

60

4.1.3 Transmisión. En esta parte del proyecto, se decidirá qué tipo de

comunicación se usara para la comunicación entre el control de mando y el

vehículo. También se mostrara el dispositivo que se usara para este propósito con

algunas de sus características.

4.1.3.1 Tipos de comunicación. Aquí se mostraran generalidades de los

diferentes dispositivos de comunicación que existen en el mercado.

Existen principalmente dos tipos de comunicación: Alámbrica e inalámbrica. La

primera se basa en el contacto directo entre los dos puntos a comunicar, por

medio de un cable, que puede ser coaxial, fibra óptica, etc. Este tipo de

comunicación limita la posibilidad de desplazamiento si el uso que se desea dar

tiene que ver con movilidad, como es el caso en esta aplicación, aunque una gran

ventaja que posee este tipo de comunicación es su confiabilidad, ya que es más

difícil que la señal se interrumpa o se atenué entre estos dos dispositivos.

El otro tipo de comunicación es la inalámbrica, que a diferencia del alámbrico, los

dos puntos a comunicar no necesitan estar conectados físicamente ya que se

usan ondas electromagnéticas que se propagan en el espacio. Este tipo de

comunicación permite mayor movilidad y distancia entre los puntos que se desean

comunicar, su costo es mucho más bajo. A pesar de sus ventajas, una gran

desventaja que posee la comunicación inalámbrica, es la interferencia que pueden

causar varios factores tales como el clima, los edificios, etc.

En la tabla 9 se muestra un cuadro comparativo entre los dos tipos de

comunicación, en donde se muestran algunas de sus ventajas y desventajas.

61

Tabla 9. Tipos de comunicación

Canal Ventajas Desventajas Alámbrico

• Baja posibilidad de error

• Cables que pueden obstruir el desplazamiento del vehículo. • Poca maniobrabilidad para el vehículo. • Necesita de repetidores para aumentar la distancia de comunicación. • Necesidad de manteniendo por posibles fracturas de cableado.

Inalámbrico

• Gran maniobrabilidad del vehículo. • Ofrece una distancia suficiente para la seguridad del operario.

• Mayor probabilidad de error. • Retrasos en la recepción de la comunicación. • El canal es vulnerable a interrupciones.

Fuente: Propia

Se decidió que el tipo de comunicación que mejor se acomoda a las necesidades

y finalidad del proyecto es la comunicación inalámbrica, ya que permite mayor

movilidad tanto del vehículo como del control de mando y su costo es bajo en

comparación al alámbrico.

4.1.3.2 Comunicación Inalámbrica. Después de haber escogido el tipo de

comunicación, a continuación se mostraran los tipos de comunicación inalámbrica

que existen. En el mercado se pueden encontrar varios tipos de comunicación

inalámbrica entre los cuales podemos destacar: infrarrojo, Bluetooth, WI-FI y RF.

62

Estos están categorizados, según Jordi Mayneen22 en su publicación, en los que

tiene un protocolo estándar y los que no. Entre los que poseen un protocolo

estándar encontramos entre otros el WI-FI y el Bluetooth, y entre los que no tiene

un protocolo estándar encontramos el infrarrojo y el RF.

Ya que los que no poseen un protocolo estándar son más sencillos de usar que

los que poseen, se decidió usar este tipo de comunicación ya que el uso que se le

dará es muy sencillo y no necesita protocolos complicados.

Infrarrojos. Este dispositivo es muy limitado en distancia y siempre tiene que

haber una línea de vista entre los puntos de comunicación (ver figura 38).

Figura 38. Comunicación por infrarrojo.

Fuente: http://tec.upc.es/com/EstadoActual_WirelessRF_SILICA.pdf

Radio Frecuencia (RF). Este sistema permite una comunicación de corto y

mediano alcance y puede atravesar algunas paredes. La comunicación RF

funciona con ondas electromagnéticas que son emitidas desde una fuente y

recibidas en otro punto por un receptor. Estas ondas electromagnéticas viajan por

el aire aproximadamente a la velocidad de la luz.

22 MAYNE, Jordi. En: L’Electronica [en línea]. Disponible en Web: < http://tec.upc.es/com/EstadoActual_WirelessRF_SILICA.pdf>.

63

La frecuencia se mide en hercios o ciclos por segundo y las frecuencias de radio

se miden en KHz, MHz y GHz.

En la tabla 10 se muestra una tabla comparativa entre los dos tipos de

comunicación inalámbrica sin protocolo estándar establecido.

Tabla 10. Características de los dos tipos de comunicación inalámbrica sin protocolo

Características IrDA

(infrarrojo) RF

Alcance 1 metro

(direccional)

50-100 metros

Sensibilidad de recepción (óptica) -114dbm

Velocidad de transmisión Hasta 115.2 Kbps Hasta 115.2 Kbps

Banda de frecuencia

980 nm luz

902 a 928 Mhz y 2.4

Ghz

Desventajas

Línea de vista únicamente,

no multipunto

Limitada capacidad en el

soporte de redes

simultaneas

Ventajas

Bajo precio, alta velocidad Largas distancias, bajos

precios, bajas energía,

desarrollo en sistemas

de redes de seguridad.

Fuente: propia

4.1.3.3 Elección del dispositivo de trasmisión. En la tabla 11 se mostraran

algunos dispositivos existentes en el mercado con sus correspondientes

características.

64

Tabla 11. Características de diferentes transmisores.

Modelo Fabricante Frecuencia Voltaje Velocidad Potencia de salida

TLP315A LAIPAC TECH 315MHz 3-12V 8Kbps 8.8 dBm

TLP418A LAIPAC TECH 418MHz 3-12V 8Kbps 8.8 dBm

TLP434A LAIPAC TECH 433.92MHz 3-12V 8Kbps 8.8 dBm

TRF4400 TEXAS

INSTRUMENTS

450MHz 2.2-3.6V 7 dBm

TRF4900 TEXAS

INSTRUMENTS

950MHz 2.2-3.6V 7 dBm

TRF4903 TEXAS

INSTRUMENTS

928MHz 2.2-3.6V 8 dBm

Fuente: Propia

El dispositivo de transmisión (figura 39) que se eligió para la comunicación del

control de mando y el vehículo es el TLP434A. Este dispositivo se acomoda a la

necesidad del proyecto, tienen un alcance aproximado de 50 a 100 metros en

campo abierto, en la hoja de datos (datasheet) del TLP343A23 que se encuentra

en el Anexo A se pueden apreciar las especificaciones de este dispositivo.

Figura 39. TLP 434A Transmisor

Fuente: http://www.sigmaelectronica.net/tlp434a-pi-670.html 23 TLP434A. En: LAIPAC TECH [en línea]. Disponible en Web: <http://www.laipac.com/Downloads/Easy/tlp434a.pdf>.

65

El dispositivo transmisor tiene de cuatro pines; de izquierda a derecha el primer

pin correspondiente a GND, el siguiente es el pin de datos por donde ingresa la

señal que será transmitida, el tercer pin corresponde a Vcc, y por último está el pin

ANT correspondiente a la antena.

Este dispositivo usa modulación ASK (Amplitude-shift keying), modulación por

desplazamiento de amplitud. Esta modulación representa los datos digitales como

una variación de la amplitud de la onda portadora. En la señal modulada, el valor

lógico 0 es representado por la ausencia de una portadora y el valor lógico 1 es

representada por una portadora con amplitud constante, es decir, para la señal

moduladora vale 1 para un 1 binario y 0 para un cero binario. En la figura 40, se

muestra la modulación de un mensaje con ASK.

Figura 40. Modulación ASK.

Fuente: http://www.textoscientificos.com/redes/modulacion/ask

66

En la figura 41 se muestra el circuito recomendado por el fabricante para la

utilización del módulo RF TLP 434A.

Figura 41. Circuito para conexión TLP434A.

Fuente: http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/37/467327_DS.pdf (Anexo A)

Según el fabricante es recomendable usar el codificador HT12E (Anexo A) que se

usa para la conexión con el módulo RF. Este dispositivo es usado para

aplicaciones de control remoto; permite codificar la información que consta de N

bits de dirección y 12-N bits de datos, esta información es transmitida junto a los

bits de cabecera.

Este codificador tiene las siguientes características:

- Operación entre 2.4 y 12 V.

- Tiene baja potencia y alta inmunidad a ruido.

- Aplicaciones en sistemas de alarma, garajes, controles remotos, entre otros.

67

4.1.4 Circuito electrónico del control de mando. El acelerómetro MMA7260QT

sensa el movimiento de la mano con respecto a la gravedad de tierra en los ejes x

y y. Donde x representa el movimiento hacia adelante o hacia atrás y y representa

el movimiento de derecha o izquierda. Este dispositivo envía la señal al

microcontrolador PIC16F873A en donde se hace la conversión A/D. Del

microcontrolador sale la información digitalizada, hacia el codificador HT12-E

donde es modulada (ASK), antes de ser enviada al transmisor TLP434A. La

información enviada por el sensor se envía a una LCD para su visualización.

El componente LM317 es empleado para la regulación y reducción del voltaje de

alimentación de los circuitos integrados, puesto que el microcontrolador trabaja a 5

V y el acelerómetro a 3.3 V.

Figura 42. Diagrama del circuito del control remoto.

Fuente: Propia

68

En la figura 43 se muestra el diagrama de flujo del programa que se utilizo en el

microcontrolador para la transmisión. En este se puede ver la configuración de

cada una de las aplicaciones utilizadas en el microcontrolador como por ejemplo:

La configuración de los puertos de salida, entrada y A/D, se inicializa la

transmisión por RF, luego se esto se inicializa la LCD, luego de esto se toma la

señal que sale del acelerómetro y se inicializan las variables, se lee la posición y

datos de los ejes x y y, se inicializa la conversión A/D, se procesa la información

proporcionada por los ejes y se compara con el dato del offset, si el dato es mayor

se le da una dirección positiva (izquierda o hacia adelante) si no es mayor es

comparada con la menor, si es menor se le da una dirección negativa (derecha o

atrás). Y por último se realiza la transmisión y se visualiza la información en la

LCD.

69

Figura 43. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador para la transmisión.

Fuente: Propia

70

4.2 VEHÍCULO

Esta es la segunda etapa del proyecto, en este parte se muestra el vehículo que

será controlado por el acelerómetro. Esta segunda etapa se divide en 3 partes:

1. Etapa de recepción de la señal enviada desde el control de mando. En esta

etapa se demodula la señal que llega del control de mando y que utilizo

modulación ASK.

2. La etapa de control en donde se determina la acción de los actuadores

dependiendo de la señal recibida desde el control y donde se hace la conversión

D/A.

3. Los actuadores, que en este caso son motores, los cuales moverán el vehículo.

En la figura 44 se muestra el diagrama de flujo del vehículo.

Figura 44. Diagrama de flujo de los componentes instalados en el vehículo.

Fuente: Propia

El receptor toma la señal enviada desde el control de mando, demodulandola y

llevándola al microcontrolador, en donde se realiza el control de los actuadores y

la conversión D/A. la salida del microcontrolador es enviada a los actuadores

(motores), logrando así el movimiento del vehículo.

4.2.1 Recepción. Para la parte de recepción de la señal en el vehículo se

determino que la mejor opción es usar un receptor del mismo fabricante del

Recepción Control y

Conversión D/A Actuadores

71

transmisor y utilizando la misma frecuencia. LAIPAC TECH ofrece dos opciones

para recepción de la señal emitida por el transmisor TLP434A: el RLP343 y el

RPL343A. Estos dos dispositivos trabajan a una frecuencia de 433.92MHz. El

receptor RLP343A tiene gran inmunidad contra ruido y es mucho más costoso

que el RLP343. Por ello se estableció que se usara el receptor RLP343, ya que

cumple con especificaciones mínimas requeridas para la recepción de la señal

enviada desde el trasmisor.

Según la hoja de datos (datasheet) del RLP43424 (ver figura 45), este dispositivo

de recepción consta de 8 pines, de izquierda a derecha, el primero es GND, el

segundo es la salida digital, el siguiente es otra salida, el cuarto y quinto son VCC,

los dos siguientes (6 y 7) son GND y el octavo pin es ANT (antena).

Figura 45. RLP 434 Receptor

Fuente: http://www.sigmaelectronica.net/rlp434-p-667.html

En esta parte se hace la demodulación de la señal recibida desde el control de

mando, donde se toma la señal modulada con ASK. En donde se toma como 1 la

presencia de una señal de amplitud y frecuencia constante, y se toma como 0 la

ausencia de alguna señal.

24 RLP434. En: LAIPAC TECH [en línea]. Disponible en Web: <http://www.laipac.com/Downloads/Easy/rlp434.pdf>.

72

Según el fabricante, es recomendado usar en el circuito un decodificador HT12D

(Anexo A). Se realiza tres veces continuas una comparación de las direcciones

entregadas con sus direcciones locales, si se comprueba que no hay errores, la

información pasa a los pines de salida. En la figura 46 se puede observar una

aplicación de este receptor. En este se usa un microcontrolador de 8 bits, para una

determinada aplicación y se puede ver el decodificador H12D. Figura 46. Circuito de aplicación del RLP343.

Fuente: http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/37/467327_DS.pdf (Anexo A).

4.2.2 Control. En esta etapa del proyecto se muestra el uso que se le da al

microcontrolador, ya que no solo es el encargado de la conversión Digital-Análogo

de la señal, sino que también se encargara de realizar la etapa de control de los

actuadores.

El microcontrolador seleccionado para esta parte del proyecto, al igual que el

microcontrolador seleccionado para el control de mando es el PIC16F873A. Las

indicaciones y características de este dispositivo fueron presentadas en numeral

Se seleccionó el mismo microcontrolador debido a que en esta etapa también es

73

importante el tamaño, ya que el vehículo que se va a manejar no tiene mucho

espacio para ubicar todos los componentes necesarios en esta etapa. También se

selecciono, ya que se tiene más familiaridad con el PIC.

El programa que ejecuta este microcontrolador se muestra en el Anexo B.

4.2.3 Actuadores. Para mover el vehículo se utilizaron motores de corriente

continua, controlado mediante uno de los módulos que ofrece el microcontrolador

que es la modulación de ancho de pulso (PWM) con ayuda de un sistema llamado

puente H y optoacopladores.

Motores DC. Los motores DC (Direct Current, convierten la energía eléctrica

en mecánica, usando el movimiento rotatorio principalmente. Estos motores tiene

como principal característica la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a

plena carga. Dos piezas fundamentales componen este tipo de motor:

Rotor: esta es la parte móvil del motor, es el que proporciona el torque para

mover a la carga. Esta formado por, un eje que lo constituye una barra de acero.

Un núcleo que esta ubicado sobre el eje, formado por laminas de hacer y su

función es la de suministrar un trayecto magnético entre los polos para que circulo

el flujo magnético del devanado; el núcleo laminado tiene ranuras por toda su

superficie para contener el bobinado. Devanado, que consta de bobinas aisladas

entre si, están alojadas en las ranuras y están conectadas de forma eléctrica con

el colector. Colector, esta formado por laminas de material conductor separadas

entre si y del centro del eje por un aislante, esta ubicado sobre uno de los

extremos del eje del rotor y de ese modo gira con este logrando así contacto con

las bobinas; su función es la de recoger la tensión que se produce por el devanado

inducido y luego transmitiéndola al circuito promedio de las escobillas. En la figura

47 se muestra los componentes del rotor.

74

Figura 47. Rotor

Fuente: http://www.todorobot.com.ar/documentos/dc-motor.pdf

Estator: tiene como función suministrar el flujo magnético que será usado por

el bobinado del rotor para realizar el movimiento giratorio. Esta formado por un

armazón que tiene como función servir como soporte y suministrar una trayectoria

de retorno al flujo magnético del rotor y del imán permanente, y así completar el

circuito magnético. También esta formado por un imán permanente que tiene

como función otorgar un campo magnético uniforme al devanado del rotor,

logrando así que interactué con el campo formado por el bobinado y originando así

el movimiento del rotor como respuesta de la interacción de estos campo. En la

figura 48 se ve los componentes del estator.

Figura 48. Estator.

Fuente: http://www.todorobot.com.ar/documentos/dc-motor.pdf

75

El funcionamiento básico del motor DC se basa en la ley de Lorentz , que dice que

cuando un conductor pasa por una corriente eléctrica se sumerge en un campo

magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el

campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha. En la

figura 49, se muestra el funcionamiento básico del motor DC.

Figura 49. Componentes del motor DC.

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua

En la figura 50 se muestra como se realiza el movimiento del motor, de acuerdo a

los campos que interactúan dentro de el.

76

Figura 50. Movimiento de un motor DC.

Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua

PWM: Para la modulación de ancho de pulso (figura 51) será necesario

capturar las revoluciones del motor para así poder mantener la velocidad

constante, la principal función del PWM es poder manejar la velocidad del motor

según la necesidad del usuario esto lo realiza con un tratamiento que se le hace a

una señal cuadrada para variarle su frecuencia y por ende se varia la velocidad del

motor puesto que si la variación se realiza por pulso no muy frecuentes el

77

movimiento del motor se podrá ver como si fuera por pasos, esto quiere decir que

el motor generará movimiento cada vez que llegue un pulso.

El ciclo de trabajo de una señal periódica es el ancho relativo de su parte positiva

en relación con el período. Expresado matemáticamente:

D= Es el ciclo de trabajo

τ= Es el tiempo en que la función es positiva (ancho del pulso)

T= Es el período de la función

Figura 51. Modulación de ancho de pulso PWM

Fuente: http://www.dtic.upf.edu/~jlozano/interfaces/PWM.gif

Puente H: Es un circuito electrónico que permite al motor DC girar en ambos

sentidos (adelante y atrás). Esta constituido con 4 interruptores, que pueden ser

mecánicos o mediante transistores. En la figura 52 se muestra un puente H para

78

un control del motor, si los transistores Q2 y Q5 están cerrados y los Q4 y Q3

abiertos, se aplica una tensión positiva en el motor, haciendo que gire en un

sentido. Abriendo los Q4 y Q3, y cerrando los Q2 y Q, el voltaje se invierte,

haciendo que el motor gire en sentido contrario.

Figura 52. Puente H de control de motor.

Fuente: http://www.globu.net/pp/ES/circuito_puente.JPG

4.2.4 Circuito Electrónico del vehículo. En la figura 54 se muestra el circuido

de recepción que está ubicado en el vehículo. El receptor RLP434 recibe la señal

que se transmitió desde el control de mando y la demodula, luego se pasa al

decodificador HT12-D. de la salida del decodificador pasa al microcontrolador en

donde se hace la conversión D/A para poder controlar los motores.

79

Figura 53. Diagrama circuital del vehículo (Microcontrolador, decodificador y receptor).

Fuente: Propia

En la figura 54 se muestra el circuito de adecuación para los motores en donde

encontramos el puente H que es el encargado de controlar la rotación del motor

(adelante o atrás), los optoacopladores que sirven para filtrar el ruido.

80

Figura 54. Diagrama circuital del vehículo (Puente H, optoacopladores y motor)

Fuente: Propia

81

En la figura 55 se muestra el diagrama de flujo del programa del microcontrolador

para la recepción en donde encontramos la recepción, la configuración de los

puertos y el movimiento de los motores.

Inicialmente se configuran los puertos que se usaran, luego se pone en cero “0” la

salida hacia los motores para que estos estén apagados. Si llega algún dato este

pasa a ser comparado con el dato uno “1” (x=y=0) si es igual al dato “1” se apagan

los motores de lo contrario pasa a comparar con el dato dos “2” (x>0, y=0) si es

igual entonces el motor 1 va hacia adelante y el motor 2 está apagado; si no es

igual al dato “2” pasa a comparar con el dato tres “3” (x<0, y=0) si es igual el motor

1 va hacia atrás y el motor 2 se queda apagado. Si la comparación anterior no es

cierta pasa a ser comparada con el dato cuatro “4” (x=0, y>0) si es igual el motor 1

está apagado y el motor 2 va hacia la izquierda. Si la comparación no es cierta

esta se compara con el dato cinco “5” (x=0, y<0) si es igual el motor 1 permanece

apagado y el motor 2 va hacia la derecha. Si esta comparación no es cierta se

compara con el dato seis “6” (x>0, y>0) si es igual el motor 1 va hacia adelante y el

motor 2 va hacia la izquierda. Si esta comparación no es cierta se compara con el

dato siete “7” (x>0, y<0) si es igual el motor 1 va hacia adelante y el motor 2 va

hacia derecha. Si esta comparación no es cierta se compara con el dato ocho “8”

(x<0, y>0) si es igual el motor 1 va hacia atrás y el motor 2 va hacia la izquierda.

Por último si esta comparación no es cierta se compara con el dato nueve “9” (x<0,

y<0) si es igual el motor 1 va hacia atrás y el motor 2 va hacia la derecha.

Finalmente el ciclo es repetitivo desde la llegada del dato.

82

Figura 55. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador para la recepción

Fuente: Propia

83

5. DESCRIPCIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

Con base al diseño propuesto se construyó un prototipo de un control el cual es el

encargado de darle órdenes a un vehículo. Este mando funciona con un

acelerómetro MMA7260QT, un microcontrolador 16f873A, un transmisor TLP 434A

y un codificador HT12-E. Y un prototipo de recepción (vehículo) el cual utiliza un

microcontrolador 16f873A, un receptor RLP 434 y un decodificador HT12-D.

Control de mando. Se realizaron las pruebas correspondientes con el

acelerómetro ADXL321 no teniendo un buen resultado con este sensor ya que

este era muy sensible y el ruido lo afectaba notablemente, luego de esto se

hicieron pruebas con el MMA7260QT teniendo una gran aceptación por parte del

grupo desarrollador ya que el sensor era muy versatilidad y de fácil manejo.

En esta etapa también se uso una LCD de 14 pines de referencia LCM0802B, en

la figura 56 se ven las especificaciones de esta LCD. En la LCD se puede

visualizar el comportamiento de los dos ejes que maneja el carro. En el eje x se

muestra un rango de velocidad que el carro maneja hacia delante y hacia atrás, en

donde +9 es el máximo hacia adelante y -9 es el máximo hacia atrás. En el eje Y

se muestra la dirección del carro, donde +1 indica que se mueve hacia la izquierda

y -1 indica movimiento hacia la derecha.

Los programas de los microcontroladores se pueden encontrar en el Anexo B.

84

Figura 56. Esquema general y pines de la LCM08002B.

Fuente: http://www.longtech- display.com/PRODUTS/LCD%20MODULES/longtech%20pdf/LCM0802B.pdf

Durante el proceso de programación del PIC existieron factores importantes a la

hora de toma de decisiones ya que el acelerómetro cuenta con una calibración de

sensibilidad la cual es muy importante puesto que este sensor se maneja con el

movimiento de la mano no posee palancas ni botones por tanto si se dejaba muy

sensible era posible que se saliera del rango ya que iba a alcanzar la velocidad

máxima en cuestiones de segundos. Esta sensibilidad afecta tanto para la

velocidad del vehículo como para la dirección.

Vehículo.

Los programas de los microcontroladores se pueden encontrar en el Anexo B.

Finalmente el vehículo funcionó como se esperaba teniendo éxito en cada uno de

nuestros objetivos.

En la figura 57 se muestra el producto final del proyecto, es donde se ve el

vehículo con su control de mando.

85

Figura 57. Fotografía del vehículo y control de mando.

Fuente: Propia.

El diseño de las tarjetas con el correspondiente montaje de componentes se

puede observar en el Anexo C

86

6. CONCLUSIONES

La selección del dispositivo (acelerómetro) se realizó con la técnica prueba y

error se probaron varios dispositivos dando como resultado la elección del

MMA7260QT puesto que es un sensor que ofrece una buena sensibilidad, fácil

manejo, económico y de fácil adquisición.

Los parámetros que se tuvieron en cuenta para la elección del dispositivo de

control fueron las funciones que este nos brindo (puertos, PWM, etc) y su

pequeño tamaño que brindaba para el desarrollo ingenieril.

Se empleo la radiofrecuencia (RF) puesto que esta nos permite alcanzar

distancias suficientes para los requerimientos del proyecto, buena confiablidad,

libertad de movimiento para el vehículo y bajo costo.

Se determino que los mejores actuadores para este proyecto son los motores

DC, ya que son los mas sencillos de manejar, su funcionamiento es sencillo y

en el mercado se encuentra en gran variedad de dispositivos, como en

vehículos a escala.

87

7. RECOMENDACIONES

Se recomienda que para un mejor desempeño del vehículo se use un mejor

dispositivo de comunicación, que tenga un mejor alcance y que tenga mejor

filtrado de ruido para que no interfiera con la finalidad del vehículo. También es

recomendable usar motores paso a paso, para mejorar el control de posición y así

lograr una mayor precisión en el movimiento del vehículo.

La implementación de este proyecto puede ser de gran utilidad en las sillas de

ruedas, puesto que esto ayuda a mejorar la movilidad de personas discapacitadas,

aparte es una herramienta muy funcional para personas cuadripléjicas (solo

pueden mover la cabeza) ya que este se puede implementar para ponerse en

cualquier parte de la cabeza y así la persona se pueda desplazar solo con el

movimiento de la misma. En robótica se puede implementar con dos ruedas que

tengan un motor y una tercera que sea “loca”.

88

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89

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92

ANEXO A

Especificaciones técnicas de los dispositivos.

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

ANEXO B

LÍNEAS DE CÓDIGO

Línea de código del transmisor

#include <16F873A.h>

#include <main.h>

#include <stdlib.h>

#include <math.h>

#include <lcd.h>

#include <laipac.h>

void main()

unsigned int16 lectura;

unsigned int16 res;

unsigned char s[16];

unsigned char c;

// Activar conversor ad

setup_adc_ports(AN0_AN1_AN3);

setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);

// Desactivar modulo SPI

setup_spi(SPI_SS_DISABLED);

// Desactivar temporizadores

setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_1);

124

setup_timer_1(T1_DISABLED);

setup_timer_2(T2_DISABLED,0,1);

// Desactivar modulo comparador

setup_comparator(NC_NC_NC_NC);

// Desactivar modulo VRef

setup_vref(FALSE);

// Configurar puertos

set_tris_a(0x0B);

set_tris_b(0x00);

set_tris_c(0x00);

output_a(0x00);

output_b(0x00);

output_c(0x00);

// Inicializar dispositivos

RF_init();

LCD_init();

// Retardo inicial

delay_ms(1000);

//

strcpy(s, " SETUP ");

LCD_write(0x80, s);

strcpy(s, " EJE X ");

LCD_write(0xC0, s);

125

// Leer valor X0

delay_ms(500);

set_adc_channel(0);

delay_us(20);

x0 = read_adc();

delay_ms(1000);

//

strcpy(s, " SETUP ");

LCD_write(0x80, s);

strcpy(s, " EJE Y ");

LCD_write(0xC0, s);

// Leer valor Y0

delay_ms(500);

set_adc_channel(1);

delay_us(20);

y0 = read_adc();

delay_ms(1000);

//

strcpy(s, "X: ");

LCD_write(0x80, s);

strcpy(s, "Y: ");

LCD_write(0xC0, s);

// ciclo de trabajo

c = 0;

126

antes_x = 0;

antes_y = 0;

dir_x = POSITIVO;

dir_y = POSITIVO;

dantes_x = dir_x;

dantes_y = dir_y;

while(TRUE)

/*

c++;

if(c > 15)

c = 1;

Transmitir(c);

*/

// Leer señal X

strcpy(s, " ");

LCD_write(0x80 + 3, s);

set_adc_channel(0);

delay_us(20);

lectura = read_adc();

res = Procesar(lectura, EJE_X);

sprintf(s, "%Lu", res);

LCD_write(0x80 + 3, s);

if(dir_x == NEGATIVO)

127

strcpy(s, "-");

else

strcpy(s, "+");

LCD_write(0x80 + 2, s);

delay_ms(400);

// Leer señal Y

strcpy(s, " ");

LCD_write(0xC0 + 3, s);

set_adc_channel(1);

delay_us(20);

lectura = read_adc();

res = Procesar(lectura, EJE_Y);

sprintf(s, "%Lu", res);

LCD_write(0xC0 + 3, s);

if(dir_y == NEGATIVO)

strcpy(s, "-");

else

strcpy(s, "+");

LCD_write(0xC0 + 2, s);

delay_ms(400);

// fin del programa

unsigned int16 Procesar(unsigned int16 v, unsigned char eje)

128

unsigned int16 vref;

unsigned int16 vval;

unsigned int16 offset;

switch(eje)

case EJE_X: vref = x0; break;

case EJE_Y: vref = y0; break;

vval = v;

offset = 0;

//

if(vval > vref)

dir = 0;

vval = vval - offset;

vval = vval - vref;

else if(vval < vref)

dir = 1;

vval = vval + offset;

vval = vref - vval;

129

else

vval = 0;

// resolucion de 6g = 200 mV/g

if(eje == EJE_X)

vval = CalcularX(vval);

// parar

if(vval < 2)

Transmitir(0x01);

else

// aumenta la velocidad

if(vval > antes_x)

Transmitir(0x0A);

// disminuye la velocidad

else if(vval < antes_x)

Transmitir(0x0B);

// dirección

if(dir == 0)

dir_x = POSITIVO;

Transmitir(0x02);

130

else

dir_x = NEGATIVO;

Transmitir(0x03);

dantes_x = dir_x;

antes_x = vval;

else if(eje == EJE_Y)

vval = CalcularY(vval);

if(vval > 0)

if(dir == 0)

dir_y = POSITIVO;

Transmitir(0x04);

else

dir_y = NEGATIVO;

Transmitir(0x05);

131

antes_y = vval;

dantes_y = dir_y;

return vval;

float Voltaje(unsigned int16 v)

float valor;

valor = v * 5000.0;

valor = valor / 1024;

return valor;

void Transmitir(unsigned char data)

unsigned char i;

for(i=0; i<4; i++)

RF_send(0x00);

delay_ms(12);

RF_send(data);

delay_ms(12);

132

delay_ms(50);

unsigned char CalcularX(unsigned char x)

if(x < 5)

return 0;

else if(x < 10)

return 1;

else if(x < 15)

return 2;

else if(x < 20)

return 3;

else if(x < 25)

return 4;

else if(x < 30)

return 5;

else if(x < 35)

return 6;

else if(x < 40)

return 7;

else if(x < 45)

return 8;

else

return 9;

133

unsigned char CalcularY(unsigned char y)

if(y < 10)

return 0;

else

return 1;

#device adc=10

#FUSES NOWDT, XT, PUT, NOPROTECT, NODEBUG, NOBROWNOUT, NOLVP, NOCPD, NOWRT

#use delay(clock=4000000)

#use fast_io(A)

#use fast_io(B)

#use fast_io(C)

#byte porta=5

#byte portb=6

#byte portc=7

#define EJE_X 1

#define EJE_Y 2

#define POSITIVO 1

134

#define NEGATIVO 2

unsigned int16 x0;

unsigned int16 y0;

unsigned int16 z0;

unsigned char dir;

unsigned char antes_x;

unsigned char antes_y;

unsigned char dir_x;

unsigned char dir_y;

unsigned char dantes_x;

unsigned char dantes_y;

unsigned int16 Procesar(unsigned int16 v, unsigned char eje);

float Voltaje(unsigned int16 v);

void Transmitir(unsigned char data);

unsigned char CalcularX(unsigned char x);

unsigned char CalcularY(unsigned char y);

135

Línea de código del receptor

#include <16F873A.h>

#include <main.h>

#include <laipac.h>

#int_RTCC

// Interrupcion cada 1 ms

void RTCC_isr(void)

cont_tmr0++;

if(cont_tmr0 > 1)

cont_tmr0 = 0;

if(rapidez > 0)

switch(pwm_state)

case PWM_LOW:

cont_pwm--;

if(cont_pwm == 0)

pwm_state = PWM_HIGH;

cont_pwm = pwm_hi;

136

if(state_motor_1 == MOTOR_AD)

output_high(M1_S1);

output_low(M1_S2);

if(state_motor_1 == MOTOR_AT)

output_high(M1_S2);

output_low(M1_S1);

break;

case PWM_HIGH:

cont_pwm--;

if(cont_pwm == 0)

pwm_state = PWM_LOW;

cont_pwm = PWM_MAX - pwm_hi;

output_low(M1_S1);

output_low(M1_S2);

break;

137

if(cont_1 > 0)

cont_1--;

if(cont_1 < 1)

cont_1 = 0;

output_low(M2_S1);

output_low(M2_S2);

state_motor_2 = MOTOR_AD;

if(cont_2 > 0)

cont_2--;

if(cont_2 < 1)

cont_2 = 0;

output_low(M2_S1);

output_low(M2_S2);

state_motor_2 = MOTOR_AT;

138

//clear_interrupt(INT_RTCC);

#int_EXT

// Llego transmisión

void EXT_isr(void)

unsigned char c;

c = input_c() & 0x0F;

Procesar_RX(c);

//output_b(c << 4);

//clear_interrupt(INT_EXT);

void main()

setup_adc_ports(NO_ANALOGS);

setup_adc(ADC_OFF);

setup_spi(SPI_SS_DISABLED);

setup_timer_0(RTCC_INTERNAL|RTCC_DIV_4);

setup_timer_1(T1_DISABLED);

setup_timer_2(T2_DIV_BY_16,255,1);

setup_comparator(NC_NC_NC_NC);

setup_vref(FALSE);

ext_int_edge( L_TO_H );

139

// Configurar puertos

set_tris_a(0x00);

set_tris_b(0x01);

set_tris_c(0x0F);

output_a(0x00);

output_b(0x00);

output_c(0x00);

//

rapidez = 1;

pwm_state = PWM_OFF;

cont_tmr0 = 0;

flag_m2 = 0;

cont_1 = 0;

cont_2 = 0;

//

Iniciar_PWM(MOTOR_1);

//

enable_interrupts(INT_RTCC);

enable_interrupts(INT_EXT);

enable_interrupts(GLOBAL);

for(;;)

if(flag_m2 == 1)

140

flag_m2 = 0;

output_high(M2_S1);

output_low(M2_S2);

/*

delay_ms(1000);

output_low(M2_S1);

output_low(M2_S2);

*/

cont_1 = 1000;

if(flag_m2 == 2)

flag_m2 = 0;

output_high(M2_S2);

output_low(M2_S1);

/*

delay_ms(1000);

output_low(M2_S1);

output_low(M2_S2);

*/

cont_2 = 1000;

141

void Iniciar_PWM(unsigned char motor)

cont_pwm = 0;

pwm_hi = 1;

pwm_state = PWM_LOW;

cont_pwm = PWM_MAX - pwm_hi;

void Procesar_RX(unsigned char data)

switch(data)

case 0x01: // Stop

Detener(MOTOR_2);

Detener(MOTOR_1);

break;

case 0x02: // Adelante

Detener(MOTOR_2);

Adelante(MOTOR_1);

break;

case 0x03: // Atras

142

Detener(MOTOR_2);

Atras(MOTOR_1);

break;

case 0x04: // Izquierda

Detener(MOTOR_1);

Adelante(MOTOR_2);

break;

case 0x05: // Derecha

Detener(MOTOR_1);

Atras(MOTOR_2);

break;

case 0x06: // Adelante Izquierda

Adelante(MOTOR_1);

Adelante(MOTOR_2);

break;

case 0x07: // Adelante Derecha

143

Adelante(MOTOR_1);

Atras(MOTOR_2);

break;

case 0x08: // Atras Izquierda

Atras(MOTOR_1);

Adelante(MOTOR_2);

break;

case 0x09: // Atras Derecha

Atras(MOTOR_1);

Atras(MOTOR_2);

break;

case 0x0A:

Velocidad(MOTOR_1, 1);

break;

case 0x0B:

144

Velocidad(MOTOR_1, 2);

break;

case 0x0C:

Velocidad(MOTOR_1, 3);

break;

case 0x0D:

Velocidad(MOTOR_1, 4);

break;

case 0x0E:

Velocidad(MOTOR_1, 5);

break;

void Detener(unsigned char motor)

switch(motor)

145

case MOTOR_1:

output_low(M1_S1);

output_low(M1_S2);

pwm_state = PWM_OFF;

pwm_hi = 1;

state_motor_1 = MOTOR_OFF;

break;

case MOTOR_2:

output_low(M2_S1);

output_low(M2_S2);

state_motor_2 = MOTOR_OFF;

break;

void Adelante(unsigned char motor)

switch(motor)

146

case MOTOR_1:

//output_high(M1_S1);

//output_low(M1_S2);

if(pwm_state == PWM_OFF)

Iniciar_PWM(motor);

state_motor_1 = MOTOR_AD;

break;

case MOTOR_2:

flag_m2 = 1;

break;

void Atras(unsigned char motor)

switch(motor)

147

case MOTOR_1:

//output_low(M1_S1);

//output_high(M1_S2);

if(pwm_state == PWM_OFF)

Iniciar_PWM(motor);

state_motor_1 = MOTOR_AT;

break;

case MOTOR_2:

flag_m2 = 2;

break;

void Velocidad(unsigned char motor, unsigned char data)

switch(motor)

case MOTOR_1:

148

switch(data)

case 1:

if(pwm_hi < (PWM_MAX-1))

pwm_hi++;

break;

case 2:

if(pwm_hi > 1)

pwm_hi--;

break;

break;

case MOTOR_2:

149

break;

#device adc=10

#FUSES NOWDT, XT, PUT, NOPROTECT, NODEBUG, NOBROWNOUT, NOLVP, NOCPD, NOWRT

#use delay(clock=4000000)

#use fast_io(A)

#use fast_io(B)

#use fast_io(C)

#byte porta=5

#byte portb=6

#byte portc=7

#define MOTOR_1 1

#define MOTOR_2 2

#define M1_S1 PIN_B7

#define M1_S2 PIN_B6

#define M2_S1 PIN_B5

#define M2_S2 PIN_B4

150

#define PWM_MAX 16

#define PWM_HIGH 1

#define PWM_LOW 2

#define PWM_OFF 0

#define MOTOR_OFF 0

#define MOTOR_AD 1

#define MOTOR_AT 2

unsigned char cont_tmr0;

unsigned char pwm_hi;

unsigned char cont_pwm;

unsigned char rapidez;

unsigned char pwm_state;

unsigned char state_motor_1;

unsigned char state_motor_2;

unsigned char flag_m2;

unsigned int16 cont_1;

unsigned int16 cont_2;

void Iniciar_PWM(unsigned char motor);

void Procesar_RX(unsigned char data);

void Detener(unsigned char motor);

151

void Adelante(unsigned char motor);

void Atras(unsigned char motor);

void Velocidad(unsigned char motor, unsigned char data);

152

ANEXO C

TARJETAS Y MONTAJES

Diagrama del circuito impreso del control remoto

Tarjeta armada control remoto

153

Diagrama del circuito impreso del vehículo

154

Tarjeta armada vehículo (receptor).