TRABAJO DE MÓDULO 2 CUATRIMESTRE

El-Enfant El-Enfant

El-Enfant El-Enfant

Cristina Abad - Mikel Redondo - Iñigo Serrano - Paula Tomás - Eider Valverde

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A. Componentes electrónicosEn el siguiente análisis, comentaremos todos los compo-nentes eléctricos y electrónicos que existen en el merca-do y nos pueden servir en un futuro para diseñar nuestro dispositivo facilitador del sueño infantil.Los componentes eléctricos o electrónicos son aquellos elementos, que forman parte de un circuito electrónico. Suelen estar encapsulados dentro de un material cerá-mico y por lo general suelen tener dos o más terminales (metálicos) que es por donde entra y sale la corriente.Los componentes electrónicos se pueden clasificar de muchas maneras pero a continuación, mostraremos la clasificación que más nos puede interesar y ayudar para futuras fases del proyecto.

Activos: son aquellos elementos que proporcionan elec-tricidad, ganancia o control, como por ejemplo una pila o un diodo.

Pasivos: estos no necesitan electricidad para su funcio-namiento. No controlan la corriente del circuito. Ejem-plos claros son el condensador que si le ponemos mu-cho voltaje puede explotar al igual que las resistencias.

A continuación, nombraremos y daremos una breve ex-plicación de los componentes electrónicos que poda-mos utilizar (activos y pasivos).

Resistencias: son utilizadas para controlar la corriente de los circuitos electrónicos y que los demás componentes del circuito no se fundan. Existen infinidad de resisten-cias diferenciando el valor de resistencia que soportan.

Potenciómetros: es un tipo de resistencia pero variable. Se puede controlar en todo momento la intensidad de corriente que fluye por el circuito, si se conecta en para-lelo o la diferencia de potencial, si se conecta en serie. En caso de que la corriente sea muy elevada, se utilizan otros dispositivos llamados reóstatos. Los condensado-res, contienen tres conectores: uno de entrada, otro de salida y el terminal variante.

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Reles: es un dispositivo que tiene dos circuitos. Uno de ellos electromagnético y otro de contactos. El segundo es el que aplicaremos al circuito que queremos controlar.

Condensadores: Almacena la carga eléctrica en su inte-rior para cuando el circuito se desconecta de la corriente. De esta manera, nos podemos asegurar que si perde-mos la corriente en algún caso el circuito no va a dejar de funcionar. Dependiendo la capacidad, almacenaran más o menos energía.

Diodo: es un componente que consta de dos terminales que permite que la corriente eléctrica circule por él en un solo sentido. Es un elemento semiconductor

Diodo LED: es un tipo de diodo que cuando la corriente pasa por el, emite una luz debido a un material que tiene en su interior.

Fotodiodo: es un elemento semiconductor que es sensi-ble a la incidencia de la luz. Este, se polariza inversamente para que cuando reciba luz deje circular la corriente. Es decir cuando no le dé la luz, no dejara pasar la corriente y cuando le dé sí

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Transistores: es un dispositivo que permite controlar la corriente, si esta es muy grande. Hay una gran variedad de transistores pero los que más nos interesan son los bipolares. Dentro de los bipolares tenemos el NPN y el PNP. Los dos sirven de amplificadores pero el NPN tam-bién sirve de conmutador. Constan de tres patillas. Por la patilla base(B) entra una cantidad de corriente y por el emisor (E) entrara una cantidad mayor a la que entra por B, en un factor que se llama amplificación.

Pilas y baterías: son dispositivos que convierten la ener-gía química en energía eléctrica, mediante un proceso químico. Estos dispositivos, están compuestos por dos conectores uno negativo (cátodo) y otro positivo (ánodo). La diferencia entre las pilas y las baterías es que las pri-meras, no son recargables. Las baterías suelen propor-cionar mayor voltaje que las pilas.

Elemento termoeléctrico: este dispositivo crea un volta-je cuando hay una diferencia de potencial entre sus dos extremos. Ademas, si por el circula un cierto voltaje, se crea una variación de temperatura y se calienta el dispo-sitivo. Sus aplicaciones más generales son para calentar o enriar objetos, cocinarlos, medir la temperatura.

Motor: es un sistema capaz de convertir la energía eléc-trica o química, en combustible. Con estos dispositivos, podemos hacer girar diferentes objetos y que se trasla-den de un lado a otro o simplemente hacer funcionar un ventilador.

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Bombilla: es un elemento eléctrico que produce luz cuan-do se calienta el filamento metalico, que contiene en su interior. Se pueden clasificar las diferentes lamparas que existen en el mercado dependiendo del material del que este hecho el filamento de su interior

Interruptores: es un dispositivo que permite pasar o no corriente por el circuito eléctrico. Existen una infinidad de interruptores.

Amperímetro: dispositivo que sirve para medir la inten-sidad que circula por un circuito eléctrico. Los amperí-metros hay que conectarlos en serie para ver la corriente que circula por un circuito

Voltímetro: es un dispositivo que nos mide la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito. Existen di-

ferentes tipos de voltímetros, pero el que a nosotros nos interesa es el voltímetro electromagnético que mide co-rrientes continuas y alternas.

Polímetro: es un instrumento que sirve para medir dife-rencia de potencial, resistencias y corrientes de un cir-cuito. Hay que teneren cuenta que dependiendo lo qu equeramos medir, hay que variar la colocacionde los ca-bles y de la ruleta del dispositivo. Las medidas se pueden hacer en corriente continua o alterna.

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A. Circuitos electrónicosPara construir un circuito eléctrico, debemos partir de unos componentes principales que son los siguientes:Pila/bateria: necesaria para que el circuito obtenga de al-gún lado la corriente.Cable: imprescindible para que la corriente llegue desde la pila o batería hasta los demás elementos del circuito como lámparas, resistencias etc.Por ultimo será necesario algún elemento en el circuito en el que haya una caída de tensión para que no se pro-duzca un cortocircuito en el mismo.En muchas ocasiones, el circuito es montado y este no funciona por algún motivo. Se verifica si algunos de sus componentes está roto con el voltímetro amperímetro o polímetro.

A continuación, explicaremos algunos de los circuitos mas simples y como se deben conectar los dispositivos.

Como podemos ver, el circuito esta compuesto por una pila, una resistencia y un diodo. El positivo de la pila, siem-pre tiene que ir con el ánodo del diodo y es aconsejable poner una resistencia como en este caso para la seguri-

dad del diodo y que este no se rompa.

En el siguiente circuito, vemos un condensador conecta-do en paralelo con un diodo LED. Al conectar el circuito a la corriente, esta pasa por las resistencias, que como he-mos dicho, sirven de elementos de seguridad para que los demás componentes no se estropeen. La corriente llega al condensador y este se carga y por otro lado, lle-gara al diodo LED, haciedo que este brille. En caso de quitar la pila, la energía almacenada en el condensador servirá para iluminar el diodo LED durante un tiempo li-mitado.

A continuación, vemos el circuito formado por un relé y una bombilla. Hay que decir, que es como si fueran dos

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circuitos diferentes solo que el segundo depende del pri-mero.Como vemos en el primer circuito, la corriente no llega hasta el relé porque el interruptor esta hacía arriba. Cuan-do el interruptor se baja, la corriente llega al relé y este acciona el circuito 2, bajando el interruptor (del circuito 2) y encendiendo la bombilla.Cuando volvemos a desconectar el interruptor del circui-to 1, la bombilla del circuito dos ya no se encenderá.

En los siguientes circuitos, hemos visto como se conec-tan algunos de los dispositivos más importantes que uti-lizaremos. En el caso de querer poner más diodos LED se pueden poner tanto en serie, como en paralelo solo variara la intensidad. Si se ponen en serie, la intensidad será la misma pero el voltaje disminuirá de un elemento a otro. En paralelo, la intensidad será la mitad de la total pero el voltaje se mantiene igual.Es recomendable poner una resistencia delante de todos los elementos como medida de seguridad y para que los diferentes componentes no se rompan.

CONCLUSIONES DE ELECTRICIDAD Y ELECTRONICA:

El circuito que diseñemos tendrá unos componentes fijos que serán los siguientes:Por un lado, tendremos un interruptor para poder parar el funcionamiento del circuito eléctrico. De esta mane-ra, si hay algún componente eléctrico estropeado, se po-drá sustituir por uno nuevo sin que el usuario sufra algún daño.

El circuito constara de varias resistencias que su valor será el adecuado para que este, funcione correctamente. Para la elección de una buena resistencia utilizaremos la tabla de colores que habitualmente se utiliza.Como el dispositivo a diseñar, es un producto para uso infantil, el circuito tiene que estar totalmente protegido y que los niños no tengan acceso a él para que no haya ningún incidente.

Se tendrá especial atención al colocar los diferentes ele-mentos en el circuito. El polo negativo y positivo deben ir colocados correctamente para evitar que los componen-tes no se rompan.Una vez que se haya montado el circuito, se comproba-rá que funciona y con el polímetro, se verificará que la corriente y la diferencia de potencial son las calculadas teóricamente. Si su funcionamiento no es el correcto, se revisará si algún elemento se ha estropeado.

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Componentes electrónicosEn el siguiente apartado, se explican algunos de los componentes de nuestro producto (no todos solo aque-llos que son necesarios para realizar los cálculos.)

Diodo LED

Los leds presentan muchas ventajas sobre las fuen-tes de luz incandescente y fluorescente, principalmen-te por el bajo consumo de energía, mayor tiempo de vida, tamaño reducido, durabilidad, resistencia a las vi-braciones, reducen la emisión de calor, no contienen mercurio (el cual al exponerse en el medio ambiente es altamente venenoso).

En comparación con la tecnología fluorescente, no crean campos magnéticos altos como la tecnología de inducción magnética, con los cuales se crea mayor ra-diación residual hacia el ser humano.

Cuentan con mejor índice de producción cromática que otros tipos de luminarias, reducen ruidos en las líneas eléctricas, son especiales para utilizarse con sistemas fotovoltaicos (paneles solares) en comparación con cualquier otra tecnología actual; no les afecta el encen-dido intermitente y esto no reduce su vida promedio, y en la mayoría de los colores (a excepción de los leds azules), cuentan con un alto nivel de fiabilidad y dura-ción.

Batería LIPO

Son una variación de las baterías de iones de litio (Li-ion). Sus características son muy similares, pero permiten una mayor densidad de energía, así como una tasa de des-carga bastante superior. Estas baterías tienen un tamaño más reducido respecto a las de otros componentes. Su ta-maño y peso las hace muy útiles para equipos pequeños que requieran potencia y duración.

Lo primero que debemos conocer es la nomenclatura que se utiliza en baterías LiPo. La forma de denominar a estas baterías es con un número que indica el número de ele-mentos o celdas de que consta y una letra que indica el tipo de conexión de dichos elementos (S para serie y P para paralelo).

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Componentes electrónicos- Ejemplos:

3S1P o 3S : Pack de 3 celdas en serie3S2P: Pack de 3 celdas en serie conectadas en paralelo a otro conjunto de 3 celdas en serie

- Tensiones:

Li-PO 1S: una celda, 3,7 V. Li-PO 2S: dos celdas, 7,4 V. Li-PO 3S: tres celdas, 11,1 V. Li-PO 4S: cuatro celdas, 14,8 V.

Arduino:

El Arduino es una plataforma en base a una placa con microcontrolador (Atmel AVR) y un entorno de interco-nexión con otros dispositivos electrónicos. La filosofía de Arduino está basada en el hardware y software li-bres que permita realizar diseños flexibles y fáciles de desarrollar. Por lo tanto, dada su sencillez y su bajo cos-te, permite realizar el desarrollo de múltiples proyectos sin necesidad de ser expertos en electrónica.

Microcontrolador

Un microcontrolador es un circuito integrado de alta esca-la de integración que incorpora la mayor parte de los ele-mentos que configuran un controlador. Un microcontrola-dor dispone normalmente de los siguientes componentes:

Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso).Memoria RAM para Contener los datos. Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM. Líneas de E/S para comunicarse con el exterior. Diversos módulos para el control de periféricos (tem-porizadores, Puertas Serie y Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores Digital/Analógico, etc.). Generador de impulsos de reloj que sincronizan el fun-cionamiento de todo el sistema. Los productos que para su regulación incorporan un mi-crocontrolador disponen de las siguientes ventajas: Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un determinado elemento representa una mejora considera-ble en el mismo. Aumento de la fiabilidad: al reemplazar el microcontro-lador por un elevado número de elementos disminuye el riesgo de averías y se precisan menos ajustes.

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Reducción del tamaño en el producto acabado: La integración del microcontrolador en un chip disminuye el volumen, la mano de obra y los stocks.

Mayor flexibilidad: las características de control están programadas

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Microcontrolador

Tensión de alimentación

Tensión de entrada recomen-dada

Límites de la tensión de entrada

Pines de entrada/salida digita-les

Entradas analógicas

Corriente máxima por pin E/S

Memoria fash (memoria de programa)

Memoria SRAM

Memoria EEPROM

Frecuencia de reloj

ATmega328

5 V

7-12 V

6-20 V

14 (de los cuales 6 proveen sa-lidas PWM)

6

40 mA

32 KB (0,5 KB están ocupados)

2 KB

1 KB

16 MHz

PantallaEl producto incluye una pantalla monocroma LCD. Para escoger la pantalla se buscó aquella que podría adaptar-se a nuestras condiciones. Se encontró una pantalla que nos servirá como base para poder escoger después la que realmente incluirá el producto. Se requieren unas dimen-siones de 12x16 cm.A continuación, se muestran algunas de las especificacio-nes de la pantalla encontrada:

Tipo240x128 LCD FSTN pos. mode wh. LED B/L

Datos del Producto240x128 píxeles, retroiluminación SupertwistGráficos monocromos.

EspecificacionesAltura del Área de Exposición 64mmAltura Externa 67.7mmAnchura del Área de Exposición 144mmAnchura Externa 98.7mmColor de Iluminación BlancoColor del Fondo NegroDimensiones del Área de Exposi-ción

144 x 64mm

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Dimensiones Externas 98.7 x 67.7 x 9.5mm

Modo del Display TransflectivoProfundidad Externa 9.5mmResolución 240 x 128pixelsTecnología Matriz del Display FSTNTemperatura de Funcionamiento Máxima

+80°C

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Calculos electrónicosA continuación, se muestran los datos necesarios acer-ca de los componentes escogidos anteriormente para el correcto funcionamiento del producto.

LED

El producto llevará incorporados 15 leds, en nuestro caso diodos led blancos. Estos se colocarán alrededor del marco que contiene la pantalla con la que el niño podrá interactuar.Estos componentes funcionan con una intensidad de 20 mA.

Altavoz

El altavoz es otro de los componentes del dispositivo importante ya que de él aparecerá la melodía, en nues-tro caso música ambiental. Las características a desta-car son las siguientes:

· El diámetro máximo es de 57 mm y la profundidad de 15 mm, lo que hace que sea un altavoz ideal para el re-ducido tamaño del dispositivo.

· Frecuencia: 200 a 2500 Hz.

· Potencia máxima: 1 W.

· Potencia nominal: 0.5 W.

· Sensibilidad: 83 dB.

· Impedancia nominal: 8 ohmios.

· Dicho altavoz tiene como componentes un imán y una bobina.

Este componente eléctrico irá colocado en la parte trasera del marco.

Pulsador

El producto dispondrá de cuatro pulsadores, uno de ellos sirve para encender o apagar el dispositivo y los otros tres serán el punto de comunicación entre el usuario y la pan-talla.Todos los pulsadores están colocados en la parte delan-tera del marco para facilitar el uso del producto. De esta manera, cuando el niño vaya a utilizar el dispositivo tendrá al alcance todos los botones necesarios para un correcto funcionamiento.

Sin embargo, se utilizará como base el pulsador ”Switch 12mm” para su funcionamiento.Sus dimensiones son de 1.2 x 1.2mm y un diámetro de

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6mm. Estas características se amoldarán posterior-mente al pulsador con la forma que se desea colocar en el concepto final. Se trata de un pulsador que gene-ralmente permanece abierto y que sirve para pulsarlo directamente.

Bateria

Se trata de una batería LIPO cuyas características prin-cipales son:

· Voltaje: 3.7 V

· Capacidad: 350 mA

· Dimensiones: 30 x 20 x 5 mm

En este apartado, se muestran los cálculos necesarios para calcular la duración de la batería del dispositivo.

Cálculos electrónicosE n primer lugar, vamos a calcular la potencia que gastan los LEDs. Sabemos que un diodo LED blanco funciona con una intensidad de 20mA y con un voltaje que varía entre los 3.2 y 3.7 voltios.Si tenemos 15 LEDs blancos: 15 * 0.02 A = 0.3 A

A continuación, vamos a calcular la potencia que consu-me el conjunto de LEDs. Antes de ello debemos comentar el problema que se nos plantea. La batería funciona con 3.7V y los LEDs funcionan con 5V. Para ello, colocaremos un chip transformador que pasara de 3.7V a 5V. P = V*I P = 5 * 0.3 = 1.5 W

Del apartado anterior, donde se explican todos los com-ponentes del producto, cogemos la potencia con la que funciona el altavoz que es 1W. Tenemos en cuenta que los dos componentes funcionan a la misma intensidad.La potencia con la que funciona la pantalla no la sabe-mos. No aparece en la ficha técnica del producto. Como los LEDs y el altavoz son los componentes que más ener-gía gastan, calcularemos la duración de la batería a partir de estos dos elementos. Ptotal = 1.5 + 1 = 2.5 W

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Suponemos que la batería está al 100%. De esta mane-ra sabremos cuánto dura la batería cuando está carga-da al 100%. P = V*I 2.5 = 3.7*I I = 0.675A

Finalmente, calculamos la duración de la batería: Q = t*I 0.350 = t*0.675 t = 0.518 h

La duración de la batería es de 31 minutos aproxima-damente sin tener en cuenta cuanto gastará la pan-talla. Cabe decir que el consumo de estas baterías es mínimo por lo que no va suponer mucha pérdida en la batería. Además, el marco va estar apoyado en la base y conectada con el cargador todo el día excepto en el momento en el que el niño coge el marco para interac-tuar con él.

Cálculos electrónicos

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ProgramaciónA continuación mostramos en circuito y la programa-ción de dos simulaciones en Arduino que servirían para nuestro producto.

El primer ejercicio, es el encendido de un LED de mane-ra gradual. Cuando este está encendido a la mitad de su máxima luminosidad, se enciende una bocina. En-tonces, se puede pulsar un botón que hara apagar la alarma. Como en un despertador habitual.

//Encendido gradual de LEDs y bocinaint S3=11; //Asignamos el pin 11 para los LEDsint j=0; //Asignamos el valor 0 a la variable jint S=6; //Asignamos el pin 6 para la bocinaint P=4; //Asignamos el pin 4 para el pulsadorint y = 0; //Asignamos el valor 0 a la variable yvoid setup() // Función configuración { pinMode(S3,OUTPUT); //Asigna el pin 11 como salida digital pinMode(S,OUTPUT); //Asigna el pin 6 como salida digital pinMode(P,INPUT); //Asigna el pin 4 como entrada digital }void loop() // Función bucle { int y=digitalRead(P);

if (y==0) { if (j<220) { for(j=0;j<=220;j++) { analogWrite(S3,!y*j); delay(70); } } else { digitalWrite (S3,!y); tone(S,1000,400); delay (600); } } else { noTone(S); digitalWrite(S3,0); goto final; //Dirigimos el programa hacia la subru-tina final final: { goto final; //Con esta funcion la subrutina //esta todo el rato en bucle } } }

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ProgramaciónEl código descrito anteriormente lo utilizaremos para uno de los programas que incluye el producto diseña-do.

En este caso, consiste en encender gradualmente un Led, de manera que cuando llegue a un cierto valor de luminosidad suene una bocina y posteriormente se pueda apagar con un pulsador.

A continuación, se muestra como quedaría el circuito con todos los componentes necesarios para que fun-cione. Los componentes utilizados son una placa de ar-duino, un led, un pulsador, un altavoz, dos resistencias y los correspondientes cables para realizar las uniones.

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ProgramaciónEl código escrito a continuación consiste en el juego de 3 leds. Con este código lo que se ha conseguido es que los leds se enciendan, pero hay que pulsar antes de que luzcan. Por tanto, no cumple con el requisito que queremos.

El circuito consta de tres leds, tres pulsadores y una bo-cina. El juego está pensado para que se vayan encen-diendo aleatoriamente los leds y cuando uno se encien-de pulsar el botón correspondiente. Si el usuario pulsa otro pulsador, es decir, si se equivoca, suena la bocina.

Sin embargo, tras varias pruebas el circuito no hace realmente lo que se ha descrito anteriormente pero este código nos sirve como comienzo para un posterior de-sarrollo del circuito final.

// Juego 3 ledsint x=0; //Asignamos 0 a la variale xint S1=13; //Asignamos el led S1 al pin 13int S2=12; //Asignamos el led S2 al pin 12int S3=11; //Asignamos el led S3 al pin 11int p1=2; //Asignamos el pulsador p1 al pin 2int p2=5; //Asignamos el pulsador p2 al pin 3int p3=4; //Asignamos el pulsador p3 al pin 4int S=6; //Asignamos la bocina S al pin 6int y1=0; //Ponemos a 0 todas las variablesint y2=0;int y3=0; void setup() // Función configuración {

pinMode(S1,OUTPUT); //Declaramos y asignamos todos los leds, la bocina y los pulsadores pinMode(S2,OUTPUT); pinMode(S3,OUTPUT); pinMode(p1,INPUT); pinMode(p2,INPUT); pinMode(p3,INPUT); pinMode(S,OUTPUT); }

void loop(){ x = random (3); //se guarda en la variable x un numero aleatorio int y1=digitalRead(p1); int y2=digitalRead(p2); int y3=digitalRead(p3); if (x==0) //si el numero aleatorio es el 0 se encenera el led S1 {

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noTone(S); digitalWrite(S1,1); delay (2000); digitalWrite(S2,0); digitalWrite(S3,0); digitalWrite(S1,0); if(y1==1) // Si pulsas el botón correcto, no suena la bocina { noTone(S); } else //Sino, suena la bocina { tone(S,700,400); delay (400); } } else { if (x==1) //El mismo proceso para los demás leds y pulsadores { y1=digitalRead(p1); y2=digitalRead(p2); y3=digitalRead(p3); noTone(S); digitalWrite(S2,1); delay (2000); digitalWrite(S1,0); digitalWrite(S3,0); digitalWrite(S2,0); if(y2==1) { noTone(S); } else { tone(S,700,400); delay (400);

} } else { noTone(S); digitalWrite(S3,1);delay (2000); digitalWrite(S1,0); digitalWrite(S2,0); digitalWrite(S3,0); if(y3==1) { noTone(S); } else { tone(S,700,400); delay (400); } } } }

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En las siguientes imagen se muestra el montaje del circuito con la placa de arduino. Cosnta de tres leds, tres pulsado-res, una bocina y seis resistencias (de 1K cada una). Todos estos elementos se encuentran correctamente unidos me-diante los cables a la placa.

Bocina

Programación