INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Escuela Superior De Ingeniería Mecánica Eléctrica
Unidad profesional “Adolfo López Mateos”
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica
“SISTEMA DE PROXIMIDAD PARA LA ELIMINCIÓN DE PUNTOS CIEGOS”
PROYECTO TERMINAL
Presentada para obtener el título de:
Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica
Presenta:
Mendoza Granados Gerardo
Torres Jiménez Erick Antonio
Villegas Amezcua Gustavo Daniel
Asesores:
Morales Becerra Pedro Martin
Ing. César Israel Pérez Macías
México, D.F. 2013
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Contenido
Introducción ............................................................................................................................... iv
Objetivo ..................................................................................................................................... vi
1. MARCO teorico ................................................................................................................... 1
1.1. Sensores ...................................................................................................................... 1 |11.1.1. Antecedentes ......................................................................................................... 1 1.1.2. Descripción de un sensor....................................................................................... 2 1.1.3. Tipos de sensores.................................................................................................. 3 1.1.4. Sensor Piezoeléctrico ............................................................................................ 3 1.1.5. Aplicación .............................................................................................................. 7
1.2. Reloj ............................................................................................................................. 7 1.2.1. Tipos de relojes. .................................................................................................... 8
1.3. Microcontrolador ........................................................................................................... 9 1.3.1. ¿Qué es? ............................................................................................................... 9 1.3.2. Características ....................................................................................................... 9 1.3.3. Funciones ............................................................................................................ 12 1.3.4. Aplicación ............................................................................................................ 12 1.3.5. Arquitecturas ........................................................................................................ 13
1.4. Procesamiento de señales analógicas ........................................................................ 14 1.5. Procesamiento digital de señales ............................................................................... 14
1.5.1. Muestreo .............................................................................................................. 15 1.5.2. Teorema de Nyquist ............................................................................................. 15 1.5.3. Frecuencia de muestreo ...................................................................................... 18 1.5.4. Cuantificación ...................................................................................................... 19
1.6. Óptica ......................................................................................................................... 20 1.6.1. Espejos ................................................................................................................ 20 1.6.2. Reflexión y Refracción ......................................................................................... 23 1.6.3. Visión humana ..................................................................................................... 29
1.7. Onda mecánica .......................................................................................................... 32 1.7.1. En función de su propagación o frente de onda ................................................... 33 1.7.2. En función de la dirección de la perturbación ....................................................... 33 1.7.3. En función de su periodicidad .............................................................................. 34 1.7.4. Frecuencia ........................................................................................................... 34 1.7.5. Ultrasonido .......................................................................................................... 35 1.7.6. Velocidad de propagación del sonido................................................................... 35 1.7.1. Longitud de onda ................................................................................................. 36
1.8. MATLAB ..................................................................................................................... 37 1.8.1. MATLAB aplicado a la Ingeniería ......................................................................... 39
2. Deteccion de puntos ciegos .............................................................................................. 40
2.1. Planteamiento del problema ....................................................................................... 40 2.2. Puntos ciegos ............................................................................................................. 40 2.3. Solución ...................................................................................................................... 41 2.4. Diagrama a bloques del sistema ................................................................................. 42 2.5. Instalación .................................................................................................................. 43 2.6. Rango del dispositivo instalado................................................................................... 45
3. Sistema de deteccion ........................................................................................................ 46
3.1. Arduino Uno................................................................................................................ 46
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3.1.1. Resumen ............................................................................................................. 47 3.1.2. Potencia ............................................................................................................... 47 3.1.3. Memoria ............................................................................................................... 48 3.1.4. Entrada y salida ................................................................................................... 49 3.1.5. Comunicación ...................................................................................................... 50 3.1.6. Programación ...................................................................................................... 51 3.1.7. Características físicas .......................................................................................... 51 3.1.8. Temporizador ....................................................................................................... 51 3.1.9. Uso del Arduino ................................................................................................... 52
3.2. Código fuente para el micro controlador ..................................................................... 52 3.2.1. Diagrama de flujo del programa ........................................................................... 52
3.3. Indicador Visual .......................................................................................................... 58 3.3.1. Diodo emisor de luz ............................................................................................. 58
3.4. Funcionamiento del detector ....................................................................................... 58 3.5. Medición de temperatura ............................................................................................ 59
3.5.1. LM35.................................................................................................................... 59 3.5.2. Características ..................................................................................................... 60 3.5.3. Aplicación ............................................................................................................ 60 3.5.4. Observación......................................................................................................... 62
4. Implementación y Pruebas ................................................................................................ 63
4.1. Prototipo ..................................................................................................................... 63 4.2. Implementación de MATLAB ...................................................................................... 64
4.2.1. Código Fuente del MATLAB ................................................................................ 64 4.3. Cálculos de temperatura ............................................................................................. 67 4.4. Pruebas en tiempo real ............................................................................................... 68
4.4.1. Descripción: ......................................................................................................... 69 4.5. Pruebas con osciloscopio ........................................................................................... 74 4.6. Resultados ................................................................................................................. 75
Conclusiones ............................................................................................................................ 77
Glosario .................................................................................................................................... 78
Anexo ....................................................................................................................................... 80
Bibliografía ............................................................................................................................. 84
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Introducción
Los accidentes Automovilísticos ocurren cuando menos se espera, existen diferentes
tipos de accidentes, de acuerdo con la clasificación de Accidentes de tránsito del INEGI
pueden ser:
Por colisión con vehículo automotor
Colisión con peatón
Colisión con animal
Colisión con objeto fijo
Volcadura
Caída de pasajero
salida del camino
Incendio
Colisión con ferrocarril
Colisión con motocicleta
Colisión con ciclista y otros.
De estos tipos de accidentes los que más predominan, de acuerdo con datos del INEGI
(a los que se tuvo acceso), con fecha del año 2011 son:
Accidente Total de accidentes
Colisión con vehículos automotor 274,022
Colisión con objeto fijo 44,404
Colisión con peatón 15,872
Colisión con motocicleta 21,105
Colisión con ciclista 8,005
Dicho proyecto se enfocó en estos cinco principales accidentes, ya que de acuerdo a
estos datos son los que ocurren con mayor frecuencia.
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Analizando los datos del INEGI, estos tipos de accidentes tienen “causas” (motivo por
el que ocurrieron), que son:
Conductor
peatón o pasajero
falla del vehículo
mala condición del camino
otra.
De estas la principal causa, la que más accidentes tiene, es la del conductor, con un
total de 366,133 accidentes.
Todas estas cifras son importantes, porque de acuerdo a las investigaciones que
realizó el INEGI, después de cada uno de estos accidentes, se menciona lo siguiente;
Tomando en cuenta el 100 % de los accidentes (que son causados por el conductor),
se tienen los motivos de estos, mostrando los siguientes porcentajes:
1.- Señalamientos de tránsito, 30%
2.- No tener a la vista el objeto, 20%
3.- Fallas de mecánicas, 20 %
4.- Distracción, 20%
5.- Distancia inapropiada, 5%
6.- Cansancio, 5%
Por la causa número 1, 3, 4, 5, 6, se es difícil diseñar un sistema que evite las
colisiones; Por tal motivo el proyecto se enfocó en la segunda causa.
De la segunda causa, que se refiere a que el conductor no ve el objeto con el que se
impacta, (en los datos recopilados por el INEGI) se dice que casi el 40% es por los
famosos “Puntos Ciegos” (Capitulo 2), por tal motivo tratando de enfocarse en la
segunda causa, se ideó una forma de evitar o advertir a los conductores de posibles
colisiones, diseñando un dispositivo capaz de identificar objetos alrededor de la
automotor. Logrando con esto salvar muchas vidas.
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Objetivo
Crear un dispositivo que detecte los objetos ubicados en los puntos ciegos del
conductor, y que permita evitar accidentes mediante la generación de una señal visual.
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1. MARCO TEORICO
1.1. Sensores
1.1.1. Antecedentes
Es difícil saber exactamente cuando se creó el primer sensor o transductor, se puede
ver en Internet cuando se creó cierto modelo de sensor, pero para un modo
generalizado no se puede saber que paso, quien hizo el primer sensor esto; Es porque
se ha utilizado desde hace mucho tiempo como los sensores mecánicos, por decir un
ejemplo, en una válvula que se cierra a la hora que el agua de una cisterna se llena,
este ejemplo aunque no necesita electricidad se observa claramente que es un sensor
por que pudo detectar el nivel del agua con un flotador y accionó la válvula para
cerrarse y evitó que siguiera llenándose de agua.
Ejemplos como este se puede ver en casi todo el mundo y a lo largo del tiempo, algo
más primitivo seria las trampas que tendían para cazar en muchos lugares en los que
con el movimiento de un cordón se actuaba algún tipo de trampa que dejaba
inmovilizado al animal o hasta lo podía matar inmediatamente, como se ve los sensores
han estado con nosotros durante mucho tiempo y lo van a seguir estando por que no
dejan de actualizarse y estar a la vanguardia. Sin embargo, en la actualidad se debe
tomar en cuenta que esto se ha vuelto como un sistema de instrumentación.
Ahora lo sensores con los que se cuenta son mucho más complejos y muchos de ellos
pueden realizar diferentes tareas todo en un mismo encapsulado, cada vez se requiere
más de cada elemento en la industria y con mucho más razón de los sensores que son
imprescindibles en cualquier maquina ya sea industrial o doméstica.
En los sensores electrónicos se podría decir que, por ejemplo el primer sensor
inductivo que se construyo fue en 1958 y lo construyo la marca Pepperl Fuchs, claro
que en la actualidad se le han hecho muchas modificaciones a este sensor.
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1.1.2. Descripción de un sensor
Antes que nada se mostrarán tres definiciones que se encuentran en muchas
enciclopedias electrónicas, que definen al sensor:
Componente que convierte energía mecánica en una señal eléctrica, ya sea
generando la señal o controlando una fuente eléctrica, ya sea generando la
señal o controlando una fuente eléctrica externa.
Transductor diseñado para producir una salida eléctrica proporcional a alguna
cantidad que varía con el tiempo, como temperatura, iluminación, presión, etc.
Dispositivo o componente que reacciona ante un cambio; la reacción se
aprovecha para hacer que funcione un control o instrumento; por ejemplo, la
resistencia del transmisor se altera al cambiar la temperatura y esa modificación
puede utilizarse en los circuitos eléctricos para variar la corriente.
Un sensor es un dispositivo empleado para convertir una magnitud física o química en
una señal generalmente eléctrica que puede ser fácilmente procesada, almacenada o
transmitida.
Los sensores son transductores por que reciben una señal y la convierten en otra para
que esta pueda ser entendida y utilizada, hay muchísimos tipos de sensores todo es de
acuerdo a su utilización o fin, por el que fue construido las partes básicas del sensor
sería una señal de entrada, el transductor y una señal de salida ya modificada para su
utilización, en la actualidad hay muchos tipos de sensores que tienen integrado
diferentes componentes, algunos son para manipular la señal y que se pueda conectar
a la computadora.
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1.1.3. Tipos de sensores
Existen diferentes clases de sensores, algunos de los que existen son:
Sensor Magnético
Sensor de Posición
Sensor de Movimiento por Radiofrecuencia
Sensor Sónico de Movimiento
Sensor de Movimiento Ultrasónico
Sensor Infrarrojo
Sensor Fotoeléctricos
Sensor Piezoeléctrico
1.1.4. Sensor Piezoeléctrico
Un sensor piezoeléctrico es un dispositivo que utiliza el efecto piezoeléctrico para
medir presión, aceleración, tensión o fuerza; transformando las lecturas en señales
eléctricas.
Su principio está basado en la fuerza o presión aplicada a una sustancia compuesta
por cristales polarizados (piezo significa presión en griego). Al ejercer presión sobre el
cristal, éste se deforma produciendo una descarga eléctrica.
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El efecto Piezoeléctrico es conmutativo y también funciona en forma opuesta contraria
a su dirección original. Esto quiere decir que al aplicar una descarga eléctrica a un
cristal polarizado, el cristal se deforma produciendo un movimiento que genera presión
acústica. La estructura de un cristal polarizado puede apreciarse en la figura 1-1.
Figura 1-1
1.1.4.1. Sensores Ultrasónicos
Figura 1-2 Sensor ultrasónico
Los sensores ultrasónicos (Figura 1-2) son dispositivos electrónicos que trabajan sin
contacto. La parte emisora genera pulsos de sonidos muy fuertes dentro del intervalo
de frecuencias de ultrasonido comprendido a partir de los 20kHz. Hay sensores
ultrasónicos unidireccionales, pero la mayoría son bidireccionales.
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1.1.4.1.1 Estructura
Un sensor se compone de una caja de plástico con conexión por enchufe integrada, un
convertidor de ultrasonidos (membrana de aluminio en cuyo lado interior hay pegada
una pastilla piezo cerámica) y una placa de circuitos impresos con electrónica de
emisión y evaluación (figura 1-3). Dos de las tres líneas eléctricas de conexión a la
unidad de control sirven para la alimentación de tensión. Por la tercera línea,
bidireccional, se conecta la función emisora y se transmite la señal de recepción
evaluada de vuelta a la unidad de control (conexión de colector abierto de alto potencial
de reposo) (figura 1-4).
Figura 1-3
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Diagrama a bloques del sensor ultrasónico.
Figura 1-4
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1.1.5. Aplicación
Los sensores ultrasónicos se utilizan para averiguar las distancias a la que se
encuentran posibles obstáculos y para vigilar un espacio.
En la siguiente figura 1-5 se puede observar la radiación que logra alcanzar el sensor
ultrasónico.
(Figura 1-5). Diagrama de radiación del sensor ultrasónico HC-SR04
El alcance de detección de un sistema de tal clase cubre una distancia de aprox. 0,25 a
4 m.
1.2. Reloj
Un reloj electrónico es un reloj en el que la base de tiempos es electrónica o
electromecánica y la división de frecuencia, también.
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La exactitud del reloj depende de la base de tiempos, que puede consistir en un
oscilador o en un adaptador que, a partir de una referencia, genera una señal periódica.
El divisor de frecuencia es un circuito digital formado por una sucesión de contadores
hasta obtener una frecuencia de 1 Hz, que permite mostrar segundos. Si se quiere
mostrar décimas, la división se detiene al llegar a los 10 Hz.
Esta frecuencia pasa al módulo de presentación, que puede ser electrónico o
mecánico, donde otros divisores van separando los segundos, minutos y horas para
presentarlas mediante algún tipo de display.
1.2.1. Tipos de relojes.
El tipo de base de tiempos utilizada es tan importante que suele dar nombre al tipo de
reloj. Las más habituales son:
Reloj de cuarzo. Sustituye el diapasón por un resonador de cuarzo,
habitualmente a 32768 Hz, por ser potencia exacta de dos, lo que simplifica el
divisor de frecuencia. Por su estabilidad y economía ha desplazado a todos los
otros tipos de reloj en las aplicaciones habituales.
Reloj atómico (rubidio, hidrogeno y cesio) Se basa en incluir en el lazo de
realimentación una cavidad con moléculas de la sustancia adecuada; De manera
que se excite la resonancia de alguno de sus átomos.
El reloj de cuarzo es un reloj electrónico que se caracteriza por poseer una pieza de
cuarzo que sirve para generar los impulsos necesarios a intervalos regulares que
permiten la medición del tiempo. El cuarzo se talla habitualmente en forma de lámina y
se introduce en un cilindro metálico. Éste tiene por función la protección del mineral.
Para que vibre el cristal de cuarzo, debe ser alimentado por un campo eléctrico
oscilante generado por un circuito electrónico.
El cuarzo hace el papel de regulador y estabilizador de la frecuencia lo que servirá
finalmente para dar una medida del tiempo. La vibración de la lámina producida por el
circuito genera una señal eléctrica de la misma frecuencia. Esta nueva onda realimenta
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el circuito electrónico, corrigiéndose las desviaciones de frecuencia que pudieran
producirse respecto a su valor nominal. La frecuencia natural de oscilación de un cristal
de cuarzo depende tanto de su forma como de su tamaño por lo que puede ser
seleccionada por el fabricante. Es de señalar que los relojes de cuarzo no son siempre
digitales, siendo también muy habituales los relojes de cuarzo con mecanismo de
agujas.
1.3. Microcontrolador
1.3.1. ¿Qué es?
Un microcontrolador es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las
órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales, los
cuales cumplen una tarea específica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres
principales unidades funcionales de una computadora: unidad central de
procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida.
Un microcontrolador no es igual a un microprocesador. Difieren uno del otro en muchos
sentidos. La primera y la más importante diferencia es su funcionalidad. Para utilizar al
microprocesador en una aplicación real, se debe de conectar con componentes tales
como memoria o componentes, buses de transmisión, de datos. Aunque el
microprocesador se considera una máquina de computación poderosa, no está
preparado para la comunicación con los dispositivos periféricos que se le conectan.
Para que el microprocesador se comunique con algún periférico, se deben utilizar los
circuitos especiales. Así era en el principio y esta práctica sigue vigente en la
actualidad.
1.3.2. Características
Los microcontroladores son diseñados para reducir el costo económico y el consumo
de energía de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la unidad central de
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procesamiento, la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la
aplicación.
Un microcontrolador difiere de una unidad central de procesamiento normal, debido a
que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de
circuitos integrados externos de apoyo. La idea es que el circuito integrado se coloque
en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite. Un
microprocesador tradicional no permite hacer esto, ya que espera que todas estas
tareas sean manejadas por otros chips. Hay que agregarle los módulos de entrada y
salida (puertos) y la memoria para almacenamiento de información.
Un microcontrolador típico tendrá un generador de reloj integrado y una pequeña
cantidad de memoria de acceso aleatorio y/o ROM, EPROM, EEPROM, flash (figura 1-
6), con lo que para hacerlo funcionar todo lo que se necesita son unos pocos
programas de control y un cristal de sincronización. Los microcontroladores disponen
generalmente también de una gran variedad de dispositivos de entrada/salida, como
convertidor analógico digital, temporizadores y buses de interfaz serie especializados.
Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser controlados por
instrucciones de procesadores especializados. Los modernos microcontroladores
frecuentemente incluyen un lenguaje de programación integrado, como el lenguaje de
programación BASIC que se utiliza bastante con este propósito.
Los microcontroladores negocian la velocidad y la flexibilidad para facilitar su uso.
Debido a que se utiliza bastante sitio en el chip para incluir funcionalidad, como los
dispositivos de entrada/salida o la memoria que incluye el microcontrolador, se ha de
prescindir de cualquier otra circuitería.
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Figura 1-6
Desde el punto de vista lógico, singular y funcional, el microprocesador está compuesto
básicamente por: varios registros, una unidad de control, una unidad aritmético-lógica,
y dependiendo del procesador, puede contener una unidad en coma flotante. El
microprocesador ejecuta instrucciones almacenadas como números binarios
organizados secuencialmente en la memoria principal. La ejecución de las
instrucciones se puede realizar en varias fases:
Escritura de los resultados en la memoria principal o en los registros. Cada una de
estas fases se realiza en uno o varios ciclos de CPU, dependiendo de la estructura del
procesador, y concretamente de su grado de segmentación. La duración de estos
ciclos viene determinada por la frecuencia de reloj, y nunca podrá ser inferior al tiempo
requerido para realizar la tarea individual.
El microprocesador se conecta a un circuito PLL, normalmente basado en un cristal de
cuarzo capaz de generar pulsos a un ritmo constante, de modo que genera varios
ciclos (o pulsos) en un segundo. Este reloj, en la actualidad, genera miles de MHz. Un
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microprocesador es un sistema abierto con el que puede construirse un computador
con las características que se desee acoplándole los módulos necesarios.
1.3.3. Funciones
A la hora de escoger el microcontrolador a emplear en un diseño concreto hay que
tener en cuenta multitud de factores, como la documentación y herramientas de
desarrollo disponibles y su precio, la cantidad de fabricantes que lo producen y por
supuesto las características del microcontrolador (tipo de memoria de programa,
número de temporizadores, interrupciones, etc.).
1.3.4. Aplicación
Antes de seleccionar un microcontrolador es imprescindible analizar los requisitos de la
aplicación:
Procesamiento de datos: puede ser necesario que el microcontrolador realice
cálculos críticos en un tiempo limitado. En ese caso se debe asegurar de
seleccionar un dispositivo suficientemente rápido para ello. Por otro lado, habrá
que tener en cuenta la precisión de los datos a manejar: si no es suficiente con
un microcontrolador de 8 bits, puede ser necesario acudir a microcontroladores
de 16 o 32 bits. Una alternativa más barata y quizá suficiente es usar librerías
para manejar los datos de alta precisión.
Entrada Salida: para determinar las necesidades de Entrada/Salida del sistema
es conveniente dibujar un diagrama de bloques del mismo, de tal forma que sea
sencillo identificar la cantidad y tipo de señales a controlar. Una vez realizado
este análisis puede ser necesario añadir periféricos hardware externos o
cambiar a otro microcontrolador más adecuado a ese sistema.
Consumo: algunos productos que incorporan microcontroladores están
alimentados con baterías y su funcionamiento puede ser tan vital como activar
una alarma antirrobo. Lo más conveniente en un caso como éste puede ser que
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el microcontrolador esté en estado de bajo consumo pero que despierte ante la
activación de una señal (una interrupción) y ejecute el programa adecuado para
procesarla.
Memoria: para detectar las necesidades de memoria de nuestra aplicación se
debe separarla en memoria volátil (RAM), memoria no volátil (ROM, EPROM,
etc.) y memoria no volátil modificable (EEPROM). Este último tipo de memoria
puede ser útil para incluir información específica de la aplicación como un
número de serie o parámetros de calibración.
El tipo de memoria a emplear vendrá determinado por el volumen de ventas
previsto del producto: de menor a mayor volumen será conveniente emplear
EPROM, OTP y ROM. En cuanto a la cantidad de memoria necesaria puede ser
imprescindible realizar una versión preliminar, y a partir de ella hacer una
estimación de cuánta memoria volátil y no volátil es necesaria y si es
conveniente disponer de memoria no volátil modificable.
Ancho de palabra: el criterio de diseño debe ser seleccionar el microcontrolador
de menor ancho de palabra que satisfaga los requerimientos de la aplicación.
Usar un microcontrolador de 4 bits supondrá una reducción importante en los
costos, mientras que uno de 8 bits puede ser el más adecuado si el ancho de los
datos es de un byte. Los microcontroladores de 16 y 32 bits, debido a su elevado
coste, deben reservarse para aplicaciones que requieran sus altas prestaciones
(Entrada/Salida potente o espacio de direccionamiento muy elevado).
1.3.5. Arquitecturas
Básicamente existen dos arquitecturas de computadoras, y por supuesto, están
presentes en el mundo de los microcontroladores: Von Neumann y Harvard. Ambas se
diferencian en la forma de conexión de la memoria al procesador y en los buses que
cada una necesita.
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1.4. Procesamiento de señales analógicas
Un Procesamiento analógico de señales (del inglés Analog signal processing), es
cualquier procesamiento de la señal llevado a cabo sobre una señal analógica por
"medios analógicos" (en contraposición al Procesamiento digital de señales que se
hace por "medios digitales"). Una "señal analógica" indica una señal que se puede
representar matemáticamente por un conjunto de valores continuos. Contrariamente a
una "señal digital", que utiliza una serie de cantidades discretas para representar la
señal. Los valores analógicos representan típicamente un voltaje, una corriente
eléctrica, o una carga eléctrica en torno a los componentes de los dispositivos
electrónicos. Un error o ruido que afecte estas magnitudes físicas se traducirá en el
error correspondiente en la representación eléctrica de dichas magnitudes físicas.
Los ejemplos de "procesamiento analógico de señales" incluyen: el filtro pasa banda,
filtro pasa bajos entre otros filtros de señales para baja frecuencia y radio frecuencia,
los controles de "volumen", "graves" y "agudos" en equipos de música, y los controles
de "contraste" y "brillo " los televisores. El "procesamiento analógico de la señal"
incluye elementos comunes como capacitores, resistencias, inductores, transistores o
circuitos integrados.
1.5. Procesamiento digital de señales
El procesamiento digital de señales (PDS) o DSP (sigla en inglés de digital signal
processing) es la manipulación matemática de una señal de información para
modificarla o mejorarla en algún sentido. Este, está caracterizado por la representación
en el dominio del tiempo discreto, en el dominio de la frecuencia discreta, u otro
dominio discreto de señales por medio de una secuencia de números o símbolos y el
procesado de esas señales.
Esto se puede conseguir mediante un sistema basado en un procesador o
microprocesador que posee un juego de instrucciones, junto con circuitos (multiplicador
– acumulador) y un programa optimizado para aplicaciones que requieran operaciones
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aritméticas a muy alta velocidad. Debido a esto es especialmente útil para el procesado
de señales digitales en tiempo real. En un sistema que trabaje de esta forma (tiempo
real) se reciben muestras (samples, en inglés), normalmente provenientes de un
conversor analógico/digital (ADC). Se puede trabajar con señales analógicas, pero es
un sistema digital, por lo tanto necesitará un conversor analógico/digital a su entrada y
digital/analógico en la salida. Como todo sistema basado en procesador programable
necesita una memoria donde almacenar los datos con los que trabajará y el programa
que ejecuta.
Se puede procesar una señal para obtener una disminución del nivel de ruido, para
mejorar la presencia de determinados matices, como los graves o los agudos y se
realiza combinando los valores de la señal para generar otros nuevos. Así, el PDS se
utiliza en el procesamiento de música (por ejemplo MP3), de voz (por ejemplo,
reconocimiento de voz) en teléfonos celulares, de imágenes (en la transmisión de
imágenes satelitales) y vídeo (DVD).
1.5.1. Muestreo
El muestreo es una de las partes del proceso de digitalización de las señales. Consiste
en tomar muestras de una señal analógica a una frecuencia o tasa de muestreo
constante, para cuantificarlas posteriormente. Basado en el teorema de muestreo, es la
base de la representación discreta de una señal continua en banda limitada.
1.5.2. Teorema de Nyquist
Se considera una señal arbitraria de energía finita como la que se muestra en la
ecuación 1. Supóngase que se muestrea la señal de forma instantánea a una tasa
uniforme cada segundos.
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Como resultado de este proceso se obtiene una secuencia de números espaciados y
se puede denotar mediante , donde n puede tomar cualquier valor entero, es
el periodo de muestreo y fs = 1/ es la frecuencia de muestreo. Esta forma ideal de
muestreo recibe el nombre de muestreo instantáneo. Sea la señal obtenida
multiplicando la secuencia de números por un tren de deltas espaciados ,
entonces se puede expresar según la ecuación (1).
(1)
A se la denomina señal muestreada ideal. En la Figura 1-8 se puede ver el
resultado de este tipo de muestreo aplicado a la señal de la Figura 1-7. De forma
equivalente se puede expresar como el producto de la señal original por la
función de muestreo ideal con periodo según la ecuación (2).
(2)
Figura 1-7 Señal arbitraria de energía finita
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Figura 1-8. La señal de la figura 1 muestreada idealmente.
El teorema del muestreo trata, que no debe ser confundido o asociado con
la cuantificación, proceso que sigue al de muestreo en la digitalización de una señal y
que, al contrario del muestreo, no es reversible (se produce una pérdida de información
en el proceso de cuantificación, incluso en el caso ideal teórico, que se traduce en
una distorsión conocida como error o ruido de cuantificación y que establece un límite
teórico superior a la relación señal-ruido). Dicho de otro modo, desde el punto de vista
del teorema, las muestras discretas de una señal son valores exactos que aún no han
sufrido redondeo o truncamiento alguno sobre una precisión determinada, es decir, aún
no han sido cuantificadas.
El teorema demuestra que la reconstrucción exacta de una señal periódica continua en
banda base a partir de sus muestras, es matemáticamente posible si la señal está
limitada en banda y la tasa de muestreo es superior al doble de su ancho de banda.
Dicho de otro modo, la información completa de la señal analógica original que cumple
el criterio anterior está descrita por la serie total de muestras que resultaron del proceso
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de muestreo. No hay nada, por tanto, de la evolución de la señal entre muestras que no
esté perfectamente definido por la serie total de muestras.
1.5.3. Frecuencia de muestreo
La tasa o frecuencia de muestreo es el número de muestras por unidad de tiempo que
se toman de una señal continua para producir una señal discreta (figura 1-9), durante el
proceso necesario para convertirla de analógica en digital.
Figura 1-9 Señal original y muestreo de la misma.
La tasa o frecuencia de muestreo es el número de muestras por unidad de tiempo que
se toman de una señal continua para producir una señal discreta, durante el proceso
necesario para convertirla de analógica en digital.
Según el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, para poder replicar con exactitud
(es decir, siendo matemáticamente reversible en su totalidad) la forma de una onda es
necesario que la frecuencia de muestreo sea superior al doble de la máxima frecuencia
a muestrear.
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19
1.5.4. Cuantificación
Uno de los pasos que se debe de tomar para convertir una señal analógica en digital es
la cuantificación. Esta se encarga de medir individualmente el nivel del voltaje o tensión
de todas las muestras de amplitud continua obtenidas en el proceso de muestreo.
A cada una de las muestras se le concede un margen de valor discreto (infinito) de
amplitud, preestablecido según el código utilizado. En este proceso es que la señal
analógica se convierte en una señal digital; o sea, desde que a las muestras se le
asignan un valor finito o discreto. Ahora bien, a pesar de haber realizado la conversión,
aun no se ha traducido a un sistema binario, ya que esta traducción lo realiza el
siguiente proceso que es la codificación; el cual recibe los valores finitos y los
transforma en una sucesión de ceros y unos. En el proceso de decodificación digital
tiende a aparecer errores de cuantificación, los cuales producen un fuerte ruido.
Este error se produce cuando el valor real de la muestra no es el mismo que el de los
escalones disponibles para su aproximación, y la distancia del valor real es mucho más
grande que la distancia que se toma. Estos errores se pueden minimizar usando
diferentes técnicas de cuantificación, como son; Cuantificación no uniforme o no lineal:
que se utiliza cuando las señales que se procesan no son semejantes a una
determinada banda de frecuencia; por consiguientes estas señales son mucho más
sensibles. En este caso se asigna niveles de cuantificación de forma no uniforme, para
que se establezca un número mayor de niveles a los márgenes donde la amplitud de la
tensión cambia más rápido.
En el siguiente proceso (la descodificación), se debe de utilizar el mismo circuito no
lineal que se utilizó en la cuantificación no uniforme; de este modo se podrá
recomponer la señal más rápidamente.
Cuantificación uniforme o lineal: en este proceso de cuantificación a cada una de
las muestras se le asigna el valor inferior más próximo, sin importar que ocurra
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20
en la muestra adyacente. Este tipo de cuantificador es el menos recomendado
de todos, ya que la probabilidad del ruido es proporcional al incremento de la
amplitud de la señal.
Cuantificación vectorial: es parecido a la cuantificación uniforme o no constante,
ya que utiliza un bit constante o variable. Este cuantificador en vez de
cuantificar las muestras retenidas de forma individual, las cuantifica en bloques
de muestras. Cada uno de estos bloques es cuantificado como si fuera un solo
vector.
Cuantificación logarítmica: en este proceso se usa una tasa de datos constante, y
se hace pasar la señal analógica por un compresor logarítmico antes de producir
la señal digital.
1.6. Óptica
1.6.1. Espejos
Un espejo es una superficie pulida en la que al incidir la luz, se refleja siguiendo las
leyes de la reflexión.
Figura 1-10. Reflexión de los rayos de luz en un espejo plano.
El ejemplo más sencillo es el espejo plano (figura 1-10). En este último, un haz de
rayos de luz paralelos puede cambiar de dirección completamente en conjunto y
continuar siendo un haz de rayos paralelos, pudiendo producir así una imagen
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virtual de un objeto con el mismo tamaño y forma que el real. La imagen resulta
derecha pero invertida en el eje normal al espejo.
Figura 1-11. Esquema de un reflector.
También hay espejos curvos que pueden ser cóncavos o convexos (figura 1-11). En un
espejo cóncavo cuya superficie forma un paraboloide de revolución, todos los rayos
que inciden paralelos al eje del espejo, se reflejan pasando por el foco, y los que
inciden pasando por el foco, se reflejan paralelos al eje los espejos son objetos que
reflejan casi toda la luz que choca contra su superficie.
Los espejos modernos consisten de una delgada capa de plata o aluminio depositado
sobre una plancha de vidrio, la cual protege el metal y hace al espejo más duradero,
ver plateado.
Para una imagen formada por un espejo parabólico (o esférico de pequeña abertura,
donde sea válida la aproximación paraxial) se cumple que:
Ecuación (3)
En la que f es la distancia del foco al espejo, s la distancia del objeto al espejo y s' la
distancia de la imagen formada al espejo, se lee: «La inversa de la distancia focal es
igual a la suma de la inversa de la distancia del objeto al espejo con la inversa de la
distancia de la imagen al espejo».
Ecuación (4)
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22
Y en la que m es la magnificación o agrandamiento lateral.
1.6.1.1. Espejos Convexos
Se produce una situación en la que la imagen es virtual, derecha y más pequeña que
elementos de un espejo centro de curvatura: es el centro de la esfera imaginaria que
constituye el espejo eje óptico: es la recta horizontal que pasa por el centro de
curvatura.
Foco: es el punto del eje óptico por el que pasan reflejados los rayos paralelos.
Está situado en el punto medio de la línea que une el centro con el espejo.
1.6.1.2. Espejo retrovisor
Figura 1-12. Espejo retrovisor muestra los vehículos en su parte TRASERA.
Un espejo retrovisor (Figura 1-11) es un tipo funcional de espejo que poseen
los automóviles y otros vehículos, que están diseñados para permitirle al conductor ver
el área que se encuentra detrás del vehículo a través de la ventana posterior.
Los espejos retrovisores internos y el espejo lateral del lado del conductor son
específicamente requeridos por la legislación que no sean provistos de magnificación y
por lo tanto son convexos. El conductor se encuentra ubicado tan próximo a estos
espejos como para con un desplazamiento de su cabeza poder expandir en forma
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23
apropiada su campo de visión. En cambio el espejo lateral del lado del acompañante se
encuentra ubicado lo suficientemente lejos como para que el campo visual sea fijo, por
más que el conductor mueva su cabeza y por lo tanto un espejo convexo es deseable
para expandir el campo visual.
En su configuración típica, el espejo retrovisor se encuentra fijo a la parte superior
del parabrisas en un montaje universal que permite que pueda ser rotado. Algunos
modelos de vehículos poseen el espejo retrovisor montado en la parte superior
del tablero. Para ajustar la posición del espejo se recomienda sentarse en el asiento del
conductor en la misma posición que se utiliza para conducir. La utilidad de los espejos
puede verse disminuida en vehículos que poseen grandes spoilers o ventanas
posteriores de dimensiones reducidas, obstrucciones en el asiento trasero o arrastran
un remolque. Los espejos retrovisores interiores están diseñados para desprenderse
fácilmente durante un choque de manera de minimizar el daño a un ocupante del
vehículo que fuera desplazado y golpeara contra el espejo
1.6.2. Reflexión y Refracción
Figura 1-13 Reflexión en un espejo plano
Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la
superficie de un segundo medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte entra
como rayo refractado en el segundo medio, donde puede o no ser absorbido (1-13). La
cantidad de luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción de
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24
ambos medios. El plano de incidencia se define como el plano formado por el rayo
incidente y la normal (es decir, la línea perpendicular a la superficie del medio) en el
punto de incidencia (figura 1-14). El ángulo de incidencia es el ángulo entre el rayo
incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y refracción se definen de modo
análogo.
Las leyes de la reflexión afirman que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de
reflexión, y que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de incidencia
se encuentran en un mismo plano.
Si la superficie del segundo medio es lisa, puede actuar como un espejo y producir una
imagen reflejada (figura 1-15). En la figura 1-15, la fuente de luz es el objeto A; un
punto de A emite rayos en todas las direcciones. Los dos rayos que inciden sobre el
espejo en B y C, por ejemplo, se reflejan como rayos BD y CE. Para un observador
situado delante del espejo, esos rayos parecen venir del punto F que está detrás del
espejo. De las leyes de reflexión se deduce que CF y BF forman el mismo ángulo con
la superficie del espejo que AC y AB. En este caso, en el que el espejo es plano, la
imagen del objeto parece situada detrás del espejo y separada de él por la misma
distancia que hay entre éste y el objeto que está delante.
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25
Recordado que la velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de valor 299.792.458 m/s.
1.6.2.1. Ley de Snell
Esta importante ley, llamada así en honor del matemático holandés Willebrord van
Roijen Snell, afirma que el producto del índice de refracción del primer medio y el seno
del ángulo de incidencia de un rayo es igual al producto del índice de refracción del
segundo medio y el seno del ángulo de refracción. El rayo incidente, el rayo refractado
y la normal a la superficie de separación de los medios en el punto de incidencia están
en un mismo plano. En general, el índice de refracción de una sustancia transparente
más densa es mayor que el de un material menos denso, es decir, la velocidad de la
luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Por tanto, si un rayo incide de forma
oblicua sobre un medio con un índice de refracción mayor, se desviará hacia la normal,
mientras que si incide sobre un medio con un índice de refracción menor, se desviará
alejándose de ella. Los rayos que inciden en la dirección de la normal son reflejados y
refractados en esa misma dirección.
Para un observador situado en un medio menos denso, como el aire, un objeto situado
en un medio más denso parece estar más cerca de la superficie de separación de lo
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26
que está en realidad. Un ejemplo habitual es el de un objeto sumergido, observado
desde encima del agua, como se muestra en la figura 1-16 (sólo se representan rayos
oblicuos para ilustrar el fenómeno con más claridad). El rayo DB procedente del punto
D del objeto se desvía alejándose de la normal, hacia el punto A. Por ello, el objeto
parece situado en C, donde la línea ABC intercepta una línea perpendicular a la
superficie del agua y que pasa por D.
En la figura 1-17 se muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios
medios con superficies de separación paralelas. El índice de refracción del agua es
más bajo que el del vidrio. Como el índice de refracción del primer y el último medio es
el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al rayo incidente AB, pero resulta
desplazado.
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27
Cuando la luz atraviesa un prisma —un objeto transparente con superficies planas y
pulidas no paralelas—, el rayo de salida ya no es paralelo al rayo incidente. Como el
índice de refracción de una sustancia varía según la longitud de onda, un prisma puede
separar las diferentes longitudes de onda contenidas en un haz incidente y formar un
espectro. En la figura 1-18, el ángulo CBD entre la trayectoria del rayo incidente y la
trayectoria del rayo emergente es el ángulo de desviación. Puede demostrarse que
cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo formado por el rayo emergente, la
desviación es mínima. El índice de refracción de un prisma puede calcularse midiendo
el ángulo de desviación mínima y el ángulo que forman las caras del prisma.
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1.6.2.2. Ángulo crítico
Puesto que los rayos se alejan de la normal cuando entran en un medio menos denso,
y la desviación de la normal aumenta a medida que aumenta el ángulo de incidencia,
hay un determinado ángulo de incidencia, denominado ángulo crítico o ángulo límite,
para el que el rayo refractado forma un ángulo de 90º con la normal, por lo que avanza
justo a lo largo de la superficie de separación entre ambos medios. Si el ángulo de
incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz serán totalmente
reflejados. La reflexión total no puede producirse cuando la luz pasa de un medio
menos denso a otro más denso. Las tres ilustraciones de la figura 1-19 muestran la
refracción ordinaria, la refracción en el ángulo crítico y la reflexión total.
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29
La fibra óptica es una nueva aplicación práctica de la reflexión total. Cuando la luz entra
por un extremo de un tubo macizo de vidrio o plástico, puede verse reflejada totalmente
en la superficie exterior del tubo y, después de una serie de reflexiones totales
sucesivas, salir por el otro extremo. Es posible fabricar fibras de vidrio de diámetro muy
pequeño, recubrirlas con un material de índice de refracción menor y juntarlas en haces
flexibles o placas rígidas que se utilizan para transmitir imágenes. Los haces flexibles,
que pueden emplearse para iluminar además de para transmitir imágenes, son muy
útiles para la exploración médica, ya que pueden introducirse en cavidades estrechas e
incluso en vasos sanguíneos.
1.6.3. Visión humana
1.6.3.1. Visión periférica y central
En el fondo del ojo hay una membrana denominada retina, la cual es sensible al
estímulo luminoso. La misma está compuesta de una capa delgada de tejido nervioso,
en la cual hay dos tipos de fibras nerviosas en forma de células sensitivas a la luz,
denominadas conos y bastones. La concentración de los conos y bastones varía sobre
el área de la retina. Una pequeña depresión en el centro de la retina, de un diámetro
alrededor de 0,5 mm, contiene sólo conos (la fovea). Fuera de dicha área libre de
bastones, los bastones y conos están mezclados, la proporción de los conos disminuye
en el área periférica de la retina.
VISIÓN CENTRAL: Los conos en la fovea producen una imagen nítida,
permitiendo ver todos los detalles de la misma.
VISIÓN PERIFÉRICA: (figura 1-20) La periferia da la retina, compuesta
principalmente por bastones, no produce una visión nítida, los objetos
observados desde dicha área parecen siluetas borrosas. Sin embargo, es muy
sensitiva al movimiento y al parpadeo.
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30
Figura 1-20
1.6.3.2. Visión de los colores
Los conos nos permiten distinguir los colores. Existen tres tipos de conos, con
pigmentos sensitivos a las partes rojas, verdes y azules del espectro. La mente
interpreta la estimulación relativa de los tres receptores de color como la impresión de
color.
1.6.3.3. Sensibilidad espectral del ojo
Dentro del rango visible del espectro electromagnético la sensibilidad del ojo varía
según las longitudes de ondas de igual potencia energética. Por ejemplo, el ojo es al
menos veinte veces más sensible a la luz con una longitud de onda de 555 nm
(amarillo - verde) que con longitudes de onda de 700 nm (rojo profundo / oscuro).
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31
1.6.3.4. Adaptación
Proceso de modificación de las propiedades del órgano de la visión según los niveles
de iluminancias (lux).
1.6.3.5. Acomodación
Modificación de los elementos ópticos del ojo de acuerdo con la distancia de los objetos
observados.
1.6.3.6. Contraste
El factor dominante en la discriminación de un objeto es la diferencia en iluminancia o
color entre el objeto observado y su alrededor inmediato. Subjetivamente, contraste es
la evaluación de la diferencia en apariencia de dos partes de un campo de visión vistos
simultánea o sucesivamente. En el sentido objetivo, contraste se define como la
relación entre la luminancia del objeto y del fondo.
1.6.3.7. Agudeza Visual
Cualitativamente, es la capacidad de percepción distinta de objetos que aparecen muy
próximos unos a otros. Cuantitativamente, es la inversa del valor en minutos del menor
ángulo bajo el cual el ojo puede todavía percibir separados dos objetos que aparecen
muy próximos uno a otro. Por lo tanto la agudeza es una medida del detalle más
pequeño que pueda percibir. Depende del nivel de iluminancia, contraste y tiempo de
observación.
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32
1.6.3.8. Velocidad de Recepción
La velocidad de percepción depende del nivel de luminancia. Se puede definir como la
inversa del intervalo de tiempo entre la presentación de un objeto y la percepción de su
forma. Correspondientemente, la velocidad de la percepción de contraste es la inversa
del intervalo de tiempo entre el instante en el cual se presenta el contraste y el instante
en el cual se percibe.
1.7. Onda mecánica
Una onda mecánica es una perturbación de las propiedades mecánicas de un medio
material (posición, velocidad y energía de sus átomos o moléculas) que se propaga en
el medio.
Todas las ondas mecánicas requieren:
Alguna fuente que cree la perturbación.
Un medio en el que se propague la perturbación.
Algún medio físico a través del cual elementos del medio puedan influir uno al
otro.
El sonido es el ejemplo más conocido de onda mecánica, que en los fluidos se propaga
como onda longitudinal de presión.
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33
1.7.1. En función de su propagación o frente de onda
Propagación de una onda por presión dentro de un émbolo.
Ondas unidimensionales: las ondas unidimensionales son aquellas que se
propagan a lo largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los
muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus
frentes de onda son planos y paralelos.
Ondas bidimensionales o superficiales: son ondas que se propagan en
dos direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de
una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales. Un
ejemplo son las ondas que se producen en la superficie de un lago cuando
se deja caer una piedra sobre él.
Ondas tridimensionales o esféricas: son ondas que se propagan en tres
direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas
esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen
de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido
es una onda tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras
(mecánicas) y las ondas electromagnéticas.
1.7.2. En función de la dirección de la perturbación
Ondas longitudinales: el movimiento de las partículas que transportan la
onda es paralelo a la dirección de propagación de está. Por ejemplo, un
muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal.
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Ondas transversales: las partículas se mueven perpendicularmente a la
dirección de propagación de la onda (Ver figura 1-20).
Figura 1-21. Representación gráfica de Ondas Longitudinales y Ondas Transversales
1.7.3. En función de su periodicidad
Ondas periódicas: la perturbación local que las origina se produce en ciclos
repetitivos, por ejemplo una onda senoidal.
Ondas no periódicas: la perturbación que las origina se da aisladamente o
en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen
características diferentes. Las ondas aisladas se denominan también pulsos.
1.7.4. Frecuencia
Es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de
cualquier fenómeno o suceso periódico.
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35
Para calcular la frecuencia de un suceso. Según el SI (Sistema Internacional), la
frecuencia se mide en Hertz (Hz). La frecuencia de oscilación de una partícula (o de
cualquier magnitud, por ejemplo el voltaje de una señal eléctrica) es la cantidad de
ciclos completos en un tiempo, e indica el número de ciclos completos en un segundo.
Un ciclo es el recorrido completo que efectúa una partícula desde su posición central,
hasta llegar otra vez a esa misma posición, habiendo pasado por su posición de
desplazamiento máximo y mínimo.
1 Hz = 1 vuelta o revolución/segundo
Un método alternativo para calcular la frecuencia es medir el tiempo entre dos
repeticiones (periodo) y luego calcular la frecuencia (f) recíproca de esta manera:
Frecuencia = 1/ periodo de la señal
1.7.5. Ultrasonido
El termino ultrasonido se refiere a las ondas o vibraciones sonoras que tienen una
frecuencia que está por encima de la capacidad auditiva del oído humano, por arriba de
los 20,000 Hz Esta energía se propaga en forma de ondas de compresión longitudinal
y necesita de un medio elástico para ser transmitido.
1.7.6. Velocidad de propagación del sonido
La velocidad de propagación de la onda sonora (velocidad del sonido) depende de las
características del medio en el que se realiza dicha propagación y no de las
características de la onda o de la fuerza que la genera. En el caso de un gas (como el
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36
aire) es directamente proporcional a su temperatura específica y a su presión estática e
inversamente proporcional a su densidad. Dado que si varía la presión, varía también la
densidad del gas, la velocidad de propagación permanece constante ante los cambios
de presión o densidad del medio.
Pero la velocidad del sonido sí varía ante los cambios de temperatura del aire (medio);
Cuanto mayor es la temperatura del aire mayor es la velocidad de propagación, la
velocidad del sonido en el aire aumenta 0,6 m/s por cada 1º C de aumento en la
temperatura.
La velocidad del sonido en el aire es de aproximadamente 344 m/s a 20º C de
temperatura, lo que equivale a unos 1.200 km/h (1.238,4 km/h, para ser precisos). Es
decir que necesita unos 3 s para recorrer 1 km
1.7.1. Longitud de onda
La longitud de una onda es el período espacial de la misma, es decir, la distancia a la
que se repite la forma de la onda. Normalmente se consideran dos puntos consecutivos
que poseen la misma fase: dos máximos, dos mínimos, dos cruces por cero (en el
mismo sentido). Por ejemplo, la distancia recorrida por la luz azul (que viaja a
299.792.458 m/s) durante el tiempo transcurrido entre dos máximos consecutivos de su
campo eléctrico (o magnético) es la longitud de onda de esa luz azul. La luz roja viaja a
la misma velocidad, pero su campo eléctrico aumenta y disminuye más lentamente que
el de la luz azul. Por tanto, la luz roja avanzará más distancia que la luz azul en el
mismo tiempo. Por eso la longitud de onda de la luz roja es mayor que la longitud de
onda de la luz azul. Si se representa esa propiedad (el campo eléctrico en el ejemplo
mencionado) en una gráfica entonces se puede decir que la longitud de onda se
representa en esa misma gráfica como la distancia entre dos máximos consecutivos.
En otras palabras, describe lo larga que es la onda. Las ondas de agua en el océano,
las ondas de presión en el aire, y las ondas de radiación electromagnética tienen todas
sus correspondientes longitudes de onda. La longitud de onda es una distancia real
recorrida por la onda (que no es necesariamente la distancia recorrida por las
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partículas o el medio que propaga la onda, como en el caso de las olas del mar, en las
que la onda avanza horizontalmente y las partículas se mueven verticalmente) (figura
1-22).
Figura 1-22
1.8. MATLAB
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MATLAB es un lenguaje de alto desempeño diseñado para realizar cálculos técnicos.
Que integra el cálculo, la visualización y la programación en un ambiente fácil de utilizar
donde los problemas y las soluciones se expresan en una notación matemática.
MATLAB es un sistema interactivo cuyo elemento básico de datos es el arreglo que no
requiere de dimensionamiento previo. Esto permite resolver muchos problemas
computacionales, específicamente aquellos que involucren vectores y matrices, en un
tiempo mucho menor al requerido para escribir un programa en un lenguaje escalar no
interactivo tal como C o Fortran.
MATLAB se utiliza ampliamente en:
Cálculos numéricos.
Desarrollo de algoritmos.
Modelado, simulación y prueba de prototipos.
Análisis de datos, exploración y visualización.
Realización de gráficos de datos con fines científicos o de ingeniería.
Desarrollo de aplicaciones que requieran de una interfaz gráfica de usuario (GUI,
Graphical User Interface).
MATLAB está perfectamente adaptado para la programación y el desarrollo de
aplicaciones. El lenguaje de programación interactivo permite un prototipo rápido y
probar soluciones sin escribir códigos C o C++.
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1.8.1. MATLAB aplicado a la Ingeniería
En los últimos años, en el mundo de la ingeniería el tiempo de desarrollo e
investigación se ha reducido debido a que los científicos e ingenieros no tienen que
programar sus herramientas de diseño. Hoy en día, es posible contar con paquetes de
programa que contienen una gran cantidad de funciones y aplicaciones que se
intercomunican a través de un lenguaje de programación matricial. Un ejemplo de este
tipo de aplicaciones es MATLAB, que es considerado una herramienta esencial en el
mundo de la ingeniería.
Con MATLAB es posible combinar muchas disciplinas tales como estadística, análisis
matemático, procesamiento digital de señales, diseño de filtros analógicos,
entrenamiento de redes neuronales artificiales, etc. de una manera muy sencilla a
través de un lenguaje de programación orientado a matrices.
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2. DETECCION DE PUNTOS CIEGOS
2.1. Planteamiento del problema
En México y en el mundo, los puntos ciegos son un gran problema debido a que,
involucran casi el 20% de los accidentes (aproximadamente 54,800 accidentes al año),
de los cuales muchos de estos terminan en tragedia. Y en mayor parte de estos
accidentes, las personas más afectadas, ni siquiera son los causantes.
2.2. Puntos ciegos
Los conductores que van aislados en el interior de su vehículo, deben saber que a los
lados y por detrás existen puntos ciegos (Figura 2-1). Es una forma de referirse a
aquellas zonas que, a pesar de que se utilicen los retrovisores laterales y el retrovisor,
no es posible ver toda el área alrededor del vehículo. Muchas veces se infravalora la
dimensión de la superficie afectada por los puntos ciegos, pero puede llegar a constituir
el 38% de todo el vehículo.
Figura 2-1. Representación gráfica de los puntos ciegos
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Figura 2-1-2 representación de puntos ciegos en transporte pesado
La visión reducida del panorama es causada en gran parte por el diseño y altura de las
cabinas del conductor.
Generalmente en el transporte pesado, en las SUV, pick up o minivan; Las puertas y
asientos son muy altos, como consecuencia las camionetas tienden a elevar su altura,
lo que significa que niños pequeños y adultos de baja estatura pueden ser atropellados
cuando el auto está aparcando, se mueve hacia atrás o al doblar en una esquina.
Debido a que el conductor no alcanza a verlos por el espejo retrovisor o los espejos
laterales.
2.3. Solución
Para solucionar este problema es necesario realizar un dispositivo capaz de medir la
distancia entre un objeto y él mismo.
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2.4. Diagrama a bloques del sistema
Este dispositivo se propone que esté formado por el siguiente diagrama a bloques:
TX: envía los pulsos de ultrasonido
RX: recibe los pulsos enviados por el TX
Amplificador: amplifica la señal del TX y del RX
Oscilador: da la referencia de tiempo para los pulsos
Comparador: compara la señal transmitida con la que se recibió
ADC: convierte la señal de analógica a digital
LM35: sensor de temperatura ambiente
Puerto COM: puerto de comunicación entre el dispositivo y la computadora
Led rojo: señal visual de peligro
Led verde: señal visual de zona libre
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2.5. Instalación
Externa
La instalación tiene que ser sencilla se colocaría en un gabinete de acrílico (para evitar
contacto directo con el agua y o residuos en el camino), este gabinete puede estar
colocado debajo del vehículo, sobre el toldo (o techo) del vehículo, o más
profesionalmente, realizar en la carrocería un corte para instalarlo a un lado del
vehículo (figura 2-2) (únicamente calibrándolo manualmente, es decir, moviendo el
sensor de modo a que cubra el punto ciego del conductor).
Interna
Para una mejor visualización se pensó en colocar Led’s a un costado de los espejos
laterales (Figura 2-3 y 2-4).
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Figura 2-3. Lugar de los Led’s en un automóvil
Figura 2-4. Lugar de los Led’s en transporte pesado
En realidad el proyecto se realiza para que los nuevos vehículos ya salgan de fábrica
con el dispositivo ya instalado.
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2.6. Rango del dispositivo instalado
Figura 2-5. Rango de visión con sistema implementado
Con la figura 2-5. Se puede observar que los dispositivos eliminan el 100% de los
puntos ciegos laterales del vehículo, esto mismo se puede implementar en los
transportes pesados y automóviles grandes.
2.5 mtrs
2.5 mtrs
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3. SISTEMA DE DETECCION
3.1. Arduino Uno
El Arduino Uno es una placa electrónica basada en el microprocesador Atmega328.
Tiene 14 pines digitales de entrada / salida (de las cuales 6 se puede utilizar como
salidas PWM), 6 entradas analógicas, un 16 MHz resonador cerámico, una conexión
USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP (In Circuit Serial Programming),
y un botón de reinicio. Contiene todo lo necesario para apoyar el microcontrolador,
basta con conectarlo a un ordenador con un cable USB o el poder con un adaptador
AC-DC o batería.
El Uno se diferencia de todos los modelos anteriores, ya que no utiliza el chip
controlador FTDI USB-a-serial.
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3.1.1. Resumen
Microcontroladores ATmega328
Voltaje de funcionamiento 5V
Voltaje de entrada (recomendado) 7-12V
Voltaje de entrada (límites) 6-20V
Pines E / S digitales 14 (de los cuales 6 proporcionan PWM)
Pines de entrada analógica 6
DC Corriente por I / O Pin 40 mA
Corriente CC para Pin 3.3V 50 mA
Memoria Flash 32 KB (ATmega328) de los cuales 0,5 KB utilizado por
gestor de arranque
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
Velocidad del reloj 16 MHz
3.1.2. Potencia
El Arduino Uno puede ser alimentado a través de la conexión USB o con una fuente de
alimentación externa. La fuente de alimentación se selecciona automáticamente.
(No USB) Fuente de alimentación externa puede venir con un adaptador de AC-DC
(pared-verruga) o la batería. El adaptador se puede conectar al conectar un enchufe de
2,1 mm de centro positivo en el conector de alimentación de la placa. Cables de la
batería se pueden insertar en los cabezales de pin GND y Vin del conector de
alimentación.
La tarjeta puede funcionar con un suministro externo de 6 a 20 voltios. Si se
proporcionan menos de 7V, sin embargo, el pin de 5V puede suministrar menos de
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cinco voltios y la junta puede ser inestable. Si se utiliza más de 12V, el regulador de
voltaje se puede sobrecalentar y dañar la placa. El rango recomendado es de 7 a 12
voltios.
Los pines de alimentación son como sigue:
VIN. El voltaje de entrada a la placa Arduino cuando se trata de utilizar una
fuente de alimentación externa (en lugar de 5 voltios de la conexión USB u otra
fuente de alimentación regulada). Puede suministrar tensión a través de este pin,
o, si el suministro de tensión a través de la toma de alimentación, el acceso a
través de este pin.
5V. Este pin como salida una 5V regulada desde el regulador en el tablero. El
tablero puede ser alimentado ya sea desde la toma de la corriente continua (7 -
12), el conector USB (5V) o el pasador de VIN del tablero (7-12V). El suministro
de tensión a través de los 5V o 3.3V no pasa por el regulador, y puede dañar la
placa.
3V3. Un suministro de 3,3 voltios generados por el regulador a bordo. El drenaje
actual máximo es de 50 mA.
GND. Patillas de tierra.
IOREF. Este pin de la placa Arduino proporciona la referencia de tensión con la
que opera el microcontrolador. Un escudo configurado puede leer el voltaje pin
IOREF y seleccione la fuente de alimentación adecuada o habilitar traductores
voltaje en las salidas para trabajar con los 5V o 3.3V.
3.1.3. Memoria
El ATmega328 tiene 32 KB (con 0,5 KB utilizado por el gestor de arranque). También
dispone de 2 KB de SRAM y 1 KB de EEPROM.
Este microcontrolador de la familia Atmega de Atmel tiene un procesador de 8 bits y
una frecuencia de funcionamiento de hasta 20Mhz, 32Kbytes de memoria FLASH, 6
CAD de 10 bits, 23 entradas/salidas de propósito general, voltaje de operación 1.8-5 V,
empaquetado 28 DIP.
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3.1.4. Entrada y salida
Cada uno de los 14 pines digitales en el Uno se puede utilizar como una entrada o
salida, usando pinMode () , digitalWrite () , y digitalRead () funciones. Ellos funcionan a
5 voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir un máximo de 40 mA y tiene una
resistencia pull-up interna (desconectada por defecto) de 20 a 50 kOhm. Además,
algunos pines tienen funciones especializadas:
Serie: 0 (RX) y 1 (TX) Se utiliza para recibir (RX) y transmitir (TX) datos serie
TTL. Estos pasadores están conectados a las clavijas correspondientes de la
ATmega8U2 de USB a TTL chip de serie.
Interrupciones externas:. 2 y 3 Estos pines pueden ser configurados para
activar una interrupción en un valor bajo, un flanco ascendente o descendente, o
un cambio en el valor.
PWM: 3, 5, 6, 9, 10, 11 y proporcionar una salida de PWM de 8 bits.
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Estos pines apoyo a la
comunicación SPI.
LED: 13 Hay un built-in LED conectado al pin digital 13. Cuando el pin es un
valor alto, el LED está encendido, cuando el pasador es bajo, es apagado.
El Uno tiene 6 entradas analógicas, etiquetados A0 a A5, cada uno de los cuales
proporcionan 10 bits de resolución (es decir, 1.024 valores diferentes). Por defecto se
miden desde el suelo a 5 voltios, aunque es posible cambiar el extremo superior de su
rango con el pin AREF y la analogReference function (). Además, algunos pines tienen
funciones especializadas:
TWI: A4 o A5 y el pin SDA y SCL pin Support comunicación TWI mediante.
librería Wire .
Hay un par de pines de la placa:
AREF. Voltaje de referencia para las entradas analógicas. Se utiliza con
analogReference ().
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Restablecer. Lleve esta línea LOW para reiniciar el microcontrolador.
Normalmente se utiliza para agregar un botón de reinicio para escudos que
bloquean la que está en el tablero.
ADC. Lee el valor de tensión en el pin analógico especificado. La placa Arduino
posee 6 canales (8 canales en el Mini y Nano y 16 en el Mega) conectados a un
conversor analógico digital de 10 bits. Esto significa que convertirá tensiones
entre 0 y 5 voltios a un número entero entre 0 y 1023. Esto proporciona una
resolución en la lectura de: 5 voltios / 1024 unidades, es decir, 0.0049 voltios
(4.9 mV) por unidad. El rango de entrada puede ser cambiado usando la
función analogReference().
El conversor tarda aproximadamente 100 microsegundos (0.0001 segundos) en
leer una entrada analógica por lo que se puede llevar una tasa de lectura
máxima aproximada de 10.000 lecturas por segundo.
3.1.5. Comunicación
El Arduino Uno tiene un número de instalaciones para la comunicación con un
ordenador, otro Arduino, u otros microcontroladores. El firmware '16U2 utiliza los
controladores de COM USB estándar, y no se necesita ningún controlador externo. Sin
embargo, en Windows, se requiere un archivo. inf . El programa de Arduino incluye un
monitor de puerto serie que permite a los datos de texto simples para ser enviados
hacia y desde la placa Arduino. Los LEDs RX y TX de la placa parpadearán cuando los
datos se transmiten a través del chip USB a serie y la conexión USB al ordenador (pero
no para la comunicación en serie en los pines 0 y 1).
El ATmega328 también soporta la comunicación I2C (TWI) y SPI. El programa de
Arduino incluye una librería Wire para simplificar el uso del bus I2C.
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3.1.6. Programación
El Arduino Uno se puede programar con el programa de Arduino. Seleccione "Arduino
Uno desde el menú Herramientas>.
El ATmega328 en la Arduino Uno viene con un cargador de arranque que le permite
cargar nuevo código a la misma sin el uso de un programador de hardware externo. Se
comunica utilizando el protocolo STK500 original.
También puede pasar por alto el gestor de arranque y el programa del microcontrolador
a través del ICSP (programación en circuito serie) cabecea.
3.1.7. Características físicas
La longitud y la anchura de la PCB Uno máximo son 2,7 y 2,1 pulgadas,
respectivamente, con el conector USB y el conector de alimentación que se extiende
más allá de la dimensión anterior. Cuatro orificios de los tornillos que la Junta pueda
fijarse a una superficie o caja. Tenga en cuenta que la distancia entre los pines digitales
7 y 8 es de 160 milésimas de pulgada (0,16 "), no es un múltiplo par del milésimas de
pulgada espaciamiento de los otros pernos 100.
3.1.8. Temporizador
ATmega48/88/168/328 tiene un temporizador de vigilancia mejorada (WDT). El WDT es
un temporizador de conteo de ciclos de un oscilador de 128 kHz por separado en el
chip. El WDT da una interrupción o un sistema de reajuste cuando el contador alcanza
un valor de tiempo de espera determinado. En el modo de funcionamiento normal, se
requiere que el sistema utiliza el WDR - Temporizador Watchdog Restablecer -
instrucciones para reiniciar el contador antes de que el tiempo de espera que se
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alcance. Si el sistema no se reinicia el contador tiene lugar un retorno de interrupción o
del sistema se emitirá.
3.1.9. Uso del Arduino
De acuerdo al diagrama a bloques la función del microcoontrolador la tomará la placa
del Arduino, debido a que es económico, es un software libre, es de fácil programación
y multiplataforma.
3.2. Código fuente para el micro controlador
3.2.1. Diagrama de flujo del programa
Se realiza el siguiente diagrama de flujo para la elaboración del programa.
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El Código fuente fue realizado con el programa en Arduino (figura 3-1), se menciona a
continuación.
//Se definen los Puertos que utilizara el Arduino para el trig el echo y los led’s
#define trigPin 13
#define echoPin 8
#define ledr 7 // salida de Led rojo
#define ledv 5 // salida del Led verde
void setup()
{
Serial.begin (9600);//para habilitar puerto serial
pinMode(trigPino, OUTPUT);
pinMomde(echoPin, INPUT);
pinMode(ledr, OUTPUT);
pinMode(ledv, OUTPUT);
}
void loop()
{
long duration, distance;
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(5); //tiempo de encendido del disparador
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(5); //tiempo de apagado del disparador
digitalWrite(trigPin, LOW);
duracion = pulseIn(echoPin, HIGH);
distancia = (duracion/2) / 29.1; //cálculo de la distancia
if (distancia < 300) { // Distancia de proximidad
digitalWrite(ledr,HIGH);
digitalWrite(ledv,LOW); //condiciones para encender leds
}
else
{
digitalWrite(ledr,LOW);
digitalWrite(ledv,HIGH);
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}
if (distancia >= 450 || distancia <= 0) //imprimir distancia
{
Serial.println("Fuera de rango");
}
else
{
Serial.print(distancia);
Serial.println(" cm");
}
delay(50);//
}
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Figura 3-1- captura de pantalla del Arduino
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Este programa compara el tiempo que tarda en salir la señal y en regresar para calcular
la distancia, contiene condiciones para encender led’s que advierten de la proximidad
de un objeto y envía información a través de un puerto USB (figura 3-2).
Figura 3-2. Captura de pantalla del programa funcionando en el arduino 1, de el lado derecho
se muestra el programa y del lado izquirdo la distancia en la que se encuentra el objeto
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3.3. Indicador Visual
Para el indicador visual se optó por la opción de usar dos Led’s, uno de color rojo y otro
verde, esto porque se está acostumbrado a que el color rojo indica peligro o detenerse
y el color verde indica zona libre.
3.3.1. Diodo emisor de luz
Un diodo es un componente electrónico a través del cual la corriente pasa en un solo
sentido. Los diodos emisores de luz (LED, acrónimo de Light-Emitting Diode) son
semiconductores que generan luz al pasar una corriente a través de ellos. Se emplean
en numerosos dispositivos comunes, como el sintonizador de un aparato de radio. Una
disposición de siete LED en forma de ocho puede utilizarse para presentar cualquier
número del 0 al 9. Esta disposición suele emplearse en calculadoras y relojes digitales.
3.4. Funcionamiento del detector
El módulo inicia a trabajar al recibir un pulso positivo en la línea del disparo (trig) de al
menos 10us. Luego de que el módulo recibe el pulso, este envía una señal ultrasónica
y el módulo cambia el estado de la línea "echo" de 0 a 1 y la línea permanece en 1
hasta que se recibe el eco o en su defecto hasta que ha pasado el tiempo máximo de
medición; Si recibe el eco este mide el tiempo que tardo en recibirlo, de esta manera se
puede obtener la distancia en la cual se encuentra el objeto.
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Esto último resulta más fácil de visualizarse en el siguiente diagrama:
Figura 3-3
3.5. Medición de temperatura
3.5.1. LM35
El LM35 es un sensor de temperatura integrado de precisión, cuya tensión de salida es
linealmente proporcional a temperatura en ºC (grados centígrados). El LM35 por lo
tanto tiene una ventaja sobre los sensores de temperatura lineal calibrada en grados
Kelvin: que el usuario no está obligado a restar una gran tensión constante para
obtener grados centígrados. El LM35 no requiere ninguna calibración externa o ajuste
para proporcionar una precisión típica de ± 1.4 ºC a temperatura ambiente y ± 3.4 ºC a
lo largo de su rango de temperatura (de -55 a 150 ºC). El dispositivo se ajusta y calibra
durante el proceso de producción. La baja impedancia de salida, la salida lineal y la
precisa calibración inherente, permiten la creación de circuitos de lectura o control
especialmente sencillos. El LM35 puede funcionar con alimentación simple o
alimentación doble (+ y -)
Requiere sólo 60 µA para alimentarse, y bajo factor de auto-calentamiento, menos de
0,1 ºC en aire estático. El LM35 está preparado para trabajar en una gama de
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60
temperaturas que abarca desde los- 55 ºC bajo cero a 150 ºC, mientras que el LM35C
está preparado para trabajar entre -40 ºC y 110 ºC (con mayor precisión).
3.5.2. Características
•Calibrado directamente en grados Celsius (Centígrados)
•Factor de escala lineal de +10 mV / ºC
•0,5ºC de precisión a +25 ºC
•Rango de trabajo: -55 ºC a +150 ºC
•Apropiado para aplicaciones remotas
•Bajo coste
•Funciona con alimentaciones entre 4V y 30V
•Menos de 60 µA de consumo
•Bajo auto-calentamiento (0,08 ºC en aire estático)
•Baja impedancia de salida, 0,1W para cargas de 1mA
3.5.3. Aplicación
Debido a que el sistema funciona mediante la detección de objetos por medio de la
propagación de ondas ultrasónicas es necesario tomar en cuenta que la temperatura
en el ambiente (espacio), influye directamente en la velocidad de propagación de la
onda ultrasónica, por ello para que exista mayor veracidad en el tratamiento de la
información, se propone futuramente utilizar sensores de temperatura, los cuales
estarán censando cual es la temperatura existente en todo momento en que se esté
utilizando el sistema.
La velocidad del sonido en el aire aumenta 0,6 m/s por cada 1º C de aumento en la
temperatura.
Una velocidad aproximada (en metros/segundo) puede ser calculada mediante la
siguiente fórmula empírica:
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Donde es la temperatura en grados Celsius
En la siguiente tabla (Figura 3-3) se presenta la relación entre la velocidad de
propagación respecto a la temperatura ºC
temperatura °C velocidad del sonido
m/s
0 331.4
1 332.01
2 332.62
3 333.22
4 333.84
5 334.45
6 335.06
7 335.66
8 336.28
9 336.89
10 337.5
11 338.1
12 338.71
13 339.33
14 339.94
15 340.54
16 341.15
17 341.77
18 342.38
19 342.98
20 343.59
21 344.21
22 344.82
23 345.42
24 346.03
25 346.65
26 347.26
27 347.87
28 348.47
29 349.09
30 349.7
31 350.31
32 350.91
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33 351.53
34 352.14
35 352.75
36 353.35
37 353.96
38 354.58
39 355.19
40 355.79
41 356.4
42 357.02
43 357.63
44 358.23
45 358.84
46 359.46
47 360.07
48 360.67
49 361.28
50 361.9
Figura 3-4
3.5.4. Observación
Este dispositivo no se pudo implementar en este proyecto por falta de tiempo, pero
sería muy buena opción continuar este proyecto implementando el sensor de
temperatura.
El proyecto tendría que incluir en la programación una condición; donde el LM35
proporcione la temperatura ambiente y de acuerdo a la tabla (figura 3-3) asignar la
velocidad del sonido correspondiente para calcular la distancia.
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4. IMPLEMENTACIÓN Y PRUEBAS
4.1. Prototipo
Elementos
Figura 4-1 Fotografía del prototipo armado y sus componentes.
En la figura 4-1 se observa los componentes del prototipo como el sensor ultrasónico
HC-SR04, que es el modelo que se utilizó para la elaboración de dicho dispositivo, la
placa del Arduino Uno modelo R3 y el indicador visual, que son los dos Led’s, uno de
color rojo y uno verde,
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Microcontrolador Arduino
Figura 4-2 componentes de la placa del Arduino
En la figura 4-2, se observan los componentes de la placa del Arduino donde se tiene
principalmente el microcontrolador ATMEGA 328, todos sus puertos de entrada y
salida, así como su puerto de alimentación externo y el puerto USB.
4.2. Implementación de MATLAB
Se utilizó MATLAB para verificar los datos que proporciona el Arduino fuesen los
correctos.
4.2.1. Código Fuente del MATLAB
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El siguiente programa se realizó con la herramienta de MATLAB (Figura 4-2), mostrado
a continuación:
%Borra conexiones previas
delete(instrfind({'Port'},{'COM7'}));
%Crear una conexiono serie
s = serial('COM7','BaudRate',9600,'Terminator','CR/LF');
warning('off','MATLAB:serial:fscanf:unsuccessfulRead');
%Abre el puerto
fopen(s);
%Inicializar las variables
Nvalores=100; %Cantidad de valores a leer
m1=zeros(1,Nvalores);
i=1;
k=0;
while k<Nvalores
%Leer el puerto serie
a = fscanf(s,'%f.%f')';
m1(i)=a(1);
%Dibujar la figura
figure(1);
if mm1(i)<20
plot(m1,'r') %plot
elseif m1(i)<40&&m1(i)>20
plot(m1,'y') %plot
else
plot(m1,'b'); %plot
end
grid on;
%Incrementar el contadoro
i=i+1;
k=k+1;
end
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Figura 4-2-1. Captura de pantalla del editor de MATLAB con el programa mencionado
Figura 4-2-2. Grafica del programa de MATLAB que muestra la distancia en la cual un objeto se
encuentra, mostrando la máxima distancia que puede alcanzar que es 450m.
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67
En la gráfica 4-2-2 se observa una variación de distancias debido a que se movió
rápidamente un objeto para verificar que el dispositivo fuera capaz de percibir la
distancia correcta en cambios rápidos de la distancia entre el sensor y un objeto.
4.3. Cálculos de temperatura
Como se mencionó, este proyecto no tiene implementado un sensor de temperatura,
por lo tanto, se realizó una tabla sin cambiar la velocidad ideal, que tendría que estar
de acuerdo a los valores de la tabla del capítulo 3.4.2 (Figura 3-3), y se colocó la
velocidad que toma el sonido a 20° C, y se calculó la distancia obtenida real, si se toma
una distancia fija de 1.5 metros como base del experimento; Con la finalidad de
encontrar cual sería el error si no se implementara el sensor de temperatura. Y se
obtuvo la siguiente tabla:
Temperatura (°C)
Distancia obtenida (m)
5 1.54
6 1.54
7 1.53
8 1.53
9 1.53
10 1.53
11 1.52
12 1.52
13 1.52
14 1.51
15 1.51
16 1.51
17 1.5
18 1.5
19 1.5
20 1.5
21 1.5
22 1.5
23 1.49
24 1.49
25 1.49
26 1.48
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27 1.48
28 1.48
29 1.47
30 1.47
31 1.47
32 1.47
33 1.46
34 1.46
35 1.46
De acuerdo a la tabla se puede observar que:
A temperaturas más frías, el objeto se encontraría más lejos de lo real y a
temperaturas más cálidas se encontraría más cerca de lo real.
Entre 17°C y 22°C no existe alteración alguna de la distancia real
En 14°C, 15°C, 16°C,23°C, 24°C y 25,La diferencia es de tan solo más-menos 1
cm
Por lo que a temperaturas extremas de 5° y 35° la distancia seria de más-menos
4cm.
4.4. Pruebas en tiempo real
Al tener el prototipo del circuito se realizaron las pruebas pertinentes para observar
que comportamiento real que se tenía de dicho circuito.
Se realizaron seis pruebas, la primera para rectificar y las cinco pruebas restantes se
realizaron en movimiento a velocidades distintas, con el fin de descartar que existiera
una afectación por “Efecto Doppler”.
Las pruebas se realizaron con un solo dispositivo debido al presupuesto para subsidiar
el proyecto.
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4.4.1. Descripción:
1.- La primer prueba fue realizada utilizando una cinta métrica, esto para corroborar
que el programa realizara las mediciones correctas y mostrara en pantalla la distancia
correcta (figura 4-3-1 y 4-3-2).
Figura 4-3-1. Colocando el sensor a una distancia de 20 cm y rectificando en pantalla que
mostrara la misma distancia.
Figura 4-3-2. Captura de pantalla de la imagen anterior
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2.- La segunda prueba se realizó colocando el sensor en la parte de atrás del
automóvil, moviéndose hacia atrás aparcando en un cajón hasta encontrarse con otro
vehículo (figura 4-3-3), el programa del Arduino mostró en pantalla la distancia entre el
automóvil con el dispositivo y el auto sin movimiento.
Figura 4-3-3. Prueba 2 Erick torres sosteniendo el dispositivo
3.- Se colocó manualmente el circuito prototipo en la ventanilla trasera del lado del
copiloto del automóvil (figura 4-3-5), cuidando que existiera un ángulo de inclinación
favorable cubriendo el punto ciego, esta segunda prueba se realizó dentro del instituto
(figura 4-3-4).
Figura 4-3-4. Muestra de las instalaciones del Instituto Politécnico Nacional donde se
efectuaron algunas pruebas
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71
Una vez ya preparado el circuito se comenzó a mover y se colocó a una distancia
pertinente que debe de tenerse entre un carril y otro, pasando por una fila de
automóviles estacionados.
Únicamente estando en movimiento el automóvil con el prototipo, se observó que el
sensor captaba el automóvil estacionado y enseguida dejaba de captar en cuanto se
pasó por un espacio sin automóvil, la velocidad promedio para esta prueba fue de 20
km/hr.
Figura 4-3-5 Prototipo cubriendo el punto ciego del conductor
4- La cuarta prueba se realizó con dos automóviles, ambos en movimiento alcanzando
una velocidad promedio de 30 km/hrs. (figura 4-3-6)(Ambos automóviles.)
Figura 4-3-6. Fotografía, que muestra la velocidad alcanzada
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Tomando como referencia al automóvil con el prototipo, se alcanzó una distancia
máxima de 2.5 metros a los costados del vehículo (figura 4-3-7), logrando que la señal
emitida por el circuito abarcara sin ningún problema el carril.
Figura 4-3-7. Fotografía, que muestra ambos vehículos
5- La quinta prueba consistió en realizar lo antes mencionado en el punto tres.
Adicionalmente, para la realización de dicha prueba se contó con dos vehículos, uno de
ellos con el prototipo funcionando.
El vehículo adicional maniobro en el punto ciego del vehículo piloto donde fue
anteriormente colocado dicho sensor para detectar la presencia de objetos en dicho
punto ciego.
El automóvil piloto mantuvo la velocidad promedio de 30 km/hr. Y el automóvil
secundario rebaso a una velocidad de 50 km/hr. (Figura 4-3-8). En el lapso de tiempo
que el automóvil secundario realizó la maniobra de rebase, se logró captar el instante
en el que el automóvil paso por el punto ciego del conductor y el prototipo advirtió que
existía un automóvil en ese instante.
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Figura 4-3-8. Momento en que el segundo vehículo rebaso al vehículo con el prototipo.
6.- La sexta prueba se realizó en Av. Montevideo (figura 4-3-9) para observar que a
velocidades altas, el sensor funcione sin problemas.
Figura 4-3-9. Av. Montevideo
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74
Para esta prueba el automóvil piloto adquirió una velocidad promedio de 70 km/hr
(velocidad de eje) y el automóvil secundario rebasó tomando una velocidad de 90 km/hr
(figura 4-3-10), a esta velocidad el sensor continuó funcionando sin ningún problema,
logrando captar el instante en que el automóvil secundario rebaso.
Figura 4-3-10. Momento en que el automóvil secundario rebasa.
Después se realizó la misma prueba en periférico a las 10 de la noche para lograr
alcanzar velocidades más altas. El automóvil piloto tomó una velocidad de 100 km/hr y
el automóvil secundario rebaso a 110 km/hr (que, viene siendo, la velocidad de
carretera), el sensor funciono sin ningún problema, logrando captar el instante del
rebase.
4.5. Pruebas con osciloscopio
Se realizaron las pruebas del sensor con el osciloscopio para verificar que realmente el
pulso lo recibiera como en las hojas de especificaciones
Se observó su funcionamiento y el ancho del pulso al estar el objeto cerca o lejos.
Esta prueba ayudo a comprender el comportamiento del tren de pulsos que el sensor
emite.
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Figura 4-4. Fotografía de la prueba realizada con el osciloscopio.
Se conectaron las puntas del osciloscopio a la entrada (echo) del sensor, logrando
observar en la pantalla del osciloscopio su ancho del pulso, que cambia de acuerdo a la
distancia que se encuentra el objeto; si este se encuentra lejos, el ancho del pulso
aumenta, y si el objeto se encuentra cerca, el ancho del pulso disminuye.
4.6. Resultados
Durante las pruebas se realizaron distintos cambios en el programa para lograr percibir
con el sensor más distancia, por ejemplo, se modificó la velocidad en los pulsos del
sensor, ya que al principio de las pruebas no se obtenía los resultados esperados,
debido a que el sensor tardaba demasiado tiempo en capturar la presencia de un
objeto, por tal motivo se realizó un ajuste en el programa para que fueran más rápidos
los pulsos.
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76
En MATLAB se realizaron distintos cambios en la presentación de la gráfica, de modo
que al ir ajustando la gráfica a una escala real y dependiendo de la distancia el color de
la gráfica cambia, es decir, si se encuentra el objeto a un metro de distancia el color
será rojo, si se encuentra el objeto a 2 metros de distancia será anaranjado y si se
encuentra a una distancia de 3 metros o más el color de la gráfica es azul.
También, con estas pruebas se observó que no afecta el “efecto Doppler”, por lo
menos, a velocidades de 100 km/hr, a pesar de que el sensor no es de marca.
Otros resultados obtenidos es que, la implementación del sensor de temperatura
serviría para poder eliminar ese pequeño error de 4 cm, aunque realmente sin
necesidad del sensor el dispositivo sigue siendo tan confiable que podría o no
implementarse.
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Conclusiones
Debido a la gran problemática actual en materia de accidentes vehiculares causados
por la mala focalización de objetos existentes desde la perspectiva del conductor; Se
creó un sistema que fuera capaz de detectar la presencia de objetos que estuvieran en
el punto ciego del conductor en un vehículo, con el único fin de reducir accidentes y por
ende salvar vidas.
El sistema propuesto en nuestro proyecto terminal explica detalladamente la
prevención de accidentes con dicho circuito.
El prototipo al ser lanzado al mercado tendría la ventaja de adaptarse a cualquier
vehículo, ya que el sensor es pequeño y por medio de una interfaz visual muy sencilla,
prevendría al conductor que existe un objeto en su punto ciego.
El principal propósito del proyecto es el de eliminar el punto ciego del conductor con
ayuda de los espejos y el sensor diseñado; se realizaron pruebas a velocidades reales
desde 30 a 100 km/hora y el sistema funcionó correctamente tomando en cuenta el
factor de la temperatura.
Este proyecto puede ser, en algún futuro, usado para lograr implementar más cosas
detalladas, como por ejemplo, quizá, que en cuanto detecte el sensor una presencia,
automáticamente frene el automóvil, se le puede anexar muchos implementos para
mejorar el prototipo.
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78
Glosario
Algoritmo: En matemáticas, lógica, ciencias de la computación y disciplinas
relacionadas, un algoritmo es un conjunto prescrito de instrucciones o reglas bien
definidas, ordenadas y finitas que permite realizar una actividad mediante pasos
sucesivos que no generen dudas a quien deba realizar dicha actividad
Aparcar: Acción y efecto de estacionar o estacionarse.
Armónico En mecánica ondulatoria, un armónico es el resultado de una serie de
variaciones adecuadamente acomodadas en un rango o frecuencia de emisión,
denominado paquete de información o fundamental. Dichos paquetes configuran un
ciclo que, adecuadamente recibido, suministra a su receptor la información de cómo su
sistema puede ofrecer un orden capaz de dotar al medio en el cual expresa sus
propiedades de una armonía.
Display: Se llama visualizador, display en inglés, a un dispositivo de ciertos aparatos
electrónicos que permite mostrar información al usuario de manera visual.
Filtro: En los sistemas de comunicaciones se emplean filtros para dejar pasar solo las
frecuencias que contengan la información deseada y eliminar las restantes.
Fóvea: es el área de la retina donde se enfocan los rayos luminosos y se encuentra
especialmente capacitada para la visión del color.
Inducción electromagnética: es el fenómeno que origina la producción de una fuerza
electromotriz, en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien
en un medio móvil respecto a un campo magnético estático.
Kilo: (símbolo k, minúscula) es un prefijo del Sistema Internacional de Unidades que
indica un factor de 103.
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Magnitud: Es una propiedad o cualidad medible de un sistema físico, es decir, a la que
se le pueden asignar distintos valores como resultado de una medición o una relación
de medidas.
Memoria EPROM: son las siglas de Erasable Programmable Read-Only Memory, es
un tipo de chip de memoria ROM no volátil.
Memoria RAM: memoria de solo lectura, es un medio de almacenamiento utilizado en
ordenadores y dispositivos electrónicos, que permite sólo la lectura de la información y
no su escritura, independientemente de la presencia o no de una fuente de energía.
Memoria volátil: contrario a memoria no volátil, es aquella memoria cuya información
se pierde al interrumpirse el flujo eléctrico.
Memoria no volátil: es un tipo de memoria que no necesita energía para perdurar.
Nano: (símbolo n) es un prefijo del Sistema Internacional de Unidades que indica un
factor de 10-9.
Retina: de los vertebrados es, un tejido sensible a la luz situado en la superficie interior
del ojo.
Sistema: (del latín systēma, proveniente del griego σύστημα) es un objeto complejo
cuyos componentes se relacionan con al menos algún otro componente; puede ser
material o conceptual. Todos los sistemas tienen composición, estructura y entorno,
pero sólo los sistemas materiales tienen mecanismo, y sólo algunos sistemas
materiales tienen figura (forma).
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Anexo
ARDUINO UNO R3
Hojas de especificaciones:
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