Desarrollo de una cámara térmica de bajo costo implementada mediante un arduino.

Transcripción

1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica Desarrollo de una cámara térmica de bajo costo implementada mediante un arduino. Por: Daniel Hernández Méndez Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Costa Rica Diciembre del 2014

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3 Desarrollo de una cámara térmica de bajo costo implementada mediante un arduino. Por: Daniel Hernández Méndez IE-0499 Proyecto eléctrico Aprobado por el Tribunal: Ing. Julian Gutierrez Monge Profesor guía M.Sc. Teodoro Willink Castro Profesor lector Ing. Gustavo Nuñez Segura Profesor lector

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5 Dedicatoria A mi mamá y mi papá, por su apoyo y guía. A mis hermanos y hermana por competir siempre conmigo. A mis amigos y compañeros de la universidad por todos los buenos momentos. Asimismo a mi amigo Carlos por sus contribuciones académicas. v

6 Reconocimiento A mi profesor guía Julián Gutiérrez Monge por su ayuda y colaboración. A mis profesores lectores por su tiempo y comentarios vi

7 Resumen En el presente documento se estudia e implementa construcción de una cámara térmica mediante un arduino. Se hizó una investigación de los fundamentos teóricos que rigen el funcionamiento del sensor MLX Además se investigó el protocolo de comunicación I2C utilizado por el MLx90614 para comunicarse con el Arduino. En cuanto al sistema para obtener la imagen fue necesario usar el programa Processing que es el encargado de presentar una plataforma para generar la imagen térmica y poder visualizarla en la computadora, por lo que fue necesario implementar un protocolo de comunicación entre el Arduino y la computadora, de modo que en todo momento uno de los dos esté hablando y el otro escuchando, de esta forma la comunicación se da mediante el envió de comandos. Ademas se hizó una interfaz gráfica para poder observar fácilmente la imagen térmica obtenida, y otros datos de temperatura. Finalmente, se realizaron pruebas con la cámara térmica a diferentes resoluciones de imágenes y se observó que a mayor resolución de la imagen térmica se obtiene mayor detalle, pero con el inconveniente de que se incrementa considerablemente el tiempo en que se tarda en obtener la imagen. Se concluye que es posible desarrollar una cámara térmica de bajo costo por medio de la tecnología arduino, brindando un amplio rango de funcionalidad y ventajas que otros sistemas no ofrecen o que resultan ser muy costosos. vii

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9 Índice general Índice de figuras Índice de cuadros Nomenclatura xi xii xiii 1 Introducción Justificación Objetivos Metodología Marco teórico Plataforma Arduino Processing Arduino y Processing MLX Servo motor Protocolo de comunicación del bus I2C Desarrollo Sensor MLX Comunicación Serial Primera parte Circuito Final Processing Mapa de distribución de temperatura Cámara Webcam Interfaz gráfica de usuario Creación de la aplicación Procedimiento de uso de la cámara térmica Resultados de las pruebas experimentales Bajo Costo Conclusiones y recomendaciones Conclusiones Recomendaciones ix

10 5 Bibliografía 43 x

11 Índice de figuras 2.1 Arduino Uno (Arduino, 2014) Diagrama de bloques MLX90614 (Melexis, 2013) Campo de medición (Melexis, 2013) Fov típico del MLX90614xAA (Melexis, 2013) Fov típico del MLX90614xCI (Melexis, 2013) Distribución de pines MLX Composición interna servo motor Diagrama de bloques servo motor Funcionamiento servo motor Bus I2C Conexión MLX Direcciones de RAM MLX90614 (Melexis, 2013) Formato protocolo del bus MLX90614 (Melexis, 2013) Estructura de trama escritura (Melexis, 2013) Formato de lectura en el SMBus Estructura de trama lectura (Melexis, 2013) Conexión servos Pant/tilt bracket. (SparkFun, 2014) Limitaciones estructura Circuito final Escala de colores GUI Builer GUI Ajustes de esquinas Imagen térmica, resolución 40x40 cuadros Imagen térmica, resolución 50x50 cuadros Imagen térmica, resolución 100x100 cuadros Imagen térmica, resolución 200x200 cuadros Imagen térmica distancia 50 cm Imagen térmica distancia 1 m xi

12 Índice de cuadros 2.1 principales características Arduino Uno xii

13 Nomenclatura ACK T o T a T SA P W M GU I P EC FOV I2C SCL SDA recibido (acknowledgement) Temperatura objeto. Temperatura ambiente direccion de esclavo (Slave Address) Modulación por ancho de pulso (pulse-width modulation) Interfaz gráfica de usuario (graphical user interface) chequeo de error de paquetes (Packet Error Checking) campo de visión (field of visión) Protocolo de comunicación de dos cables(inter-integrated Circuit) reloj serial (serial clock) datos seriales (serial data) xiii

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15 1 Introducción 1.1 Justificación Una cámara térmica es una herramienta capaz de representar la pérdida de energía de un sistema, donde el método es rápido y las termografías que produce la cámara son un argumento preciso y convincente. El uso de una cámara térmica, ya sea como herramienta única o combinada con otros métodos, agiliza el trabajo de forma notable. Las termografías localizan con exactitud dónde se detectan pérdidas de energía, sin necesidad de efectuar ninguna prueba destructiva. La idea del proyecto surge ante la necesidad de contar con una cámara térmica desarrollada con materiales de bajo coste y fáciles de conseguir, esto con la tarea de poder ver la temperatura de una superficie sin tener que hacer contacto alguno con ella, motivo por el cual a este tipo de cámara térmica se le abre un amplio campo de aplicaciones, como la inspección de instalaciones eléctricas y poder localizar defectos en las instalaciones lograndose detectar las perdidas energéticas. El proyecto consiste en desarrollar una cámara térmica que a partir de las emisiones infrarrojas del cuerpo detectado, permita medir remotamente la temperatura de una superficie. El proyecto va a estar constituido de un sensor infrarrojo el cual es movido por dos servo motores para escanear una área definida de un objeto o superficie que se encuentre estática, estos conectados a un Arduino que va a controlarlos y procesar los datos obtenidos del sensor térmico MLX90614 por medio del uso de una librería dispuesta para dicho sensor. El sensor infrarrojo va a estar montado sobre estructura apropiada que pueda permitir el movimiento de la misma mediante los servo motores. El desarrollo de la cámara térmica abarca la construcción y diseño de estructura que permita conectar y montar el sensor térmico o termómetro infrarrojo, así como el acople del circuito eléctrico al sistema microcontrolado previamente programado, y luego crear una interfaz de software que permita visualizar las mediciones. 1

16 2 1 Introducción 1.2 Objetivos Objetivo general Diseño y construcción de una cámara térmica de bajo costo mediante el uso de un sensor Infrarrojo, servo motores y un arduino. Objetivos específicos Para el desarrollo de este proyecto se establecieron los siguientes objetivos: Poner en funcionamiento un sistema móvil que permita el movimiento de una estructuramediante servo motores. Construir el hardware basado en el sensor infrarrojo que permita ser conectada al arduino. Diseñar la interfaz de software para la calibración y uso normal del sistema. 1.3 Metodología El desarrollo del trabajo incluyó los siguientes pasos y procedimientos, listados en secuencia: 1. Investigación bibliográfica sobre los termómetros infrarrojos, su funcionamiento así como sus respectivas especificaciones técnicas. 2. Armar una estructura apropiada que permita montar el sistema de medición. 3. Determinación de las especificaciones técnicas del arduino y los servo motores. 4. Desarrollo de un programa para poder observar los datos provenientes de la medición en una pantalla. 5. Verificación del programa desarrollado mediante la conexión del circuito de prueba a la tarjeta del microcontrolador. 6. Creación de la interfaz de software de medición entre la computadora y el microcontrolador 7. Realización de pruebas y calibración al sistema de medición ante diferentes situaciones para una eficaz medición y uso normal.

17 2 Marco teórico 2.1 Plataforma Arduino La placa arduino es una plataforma de computación física de código abierto, basada en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo para crear software para la placa. (Arduino, 2014a). El lenguaje de programación utilizado para la programación y el control de las placas están fundamentados en un lenguaje conocido como Wiring, el cual también es un entorno de programación abierta, con aplicación directa a la creación y exploración de prototipos electrónicos y el control de hardware en general. Propiamente, el lenguaje mencionado para las aplicaciones Arduino se conoce simplemente como Lenguaje de Programación Arduino, nombre asignado por sus creadores, Massimo Banzi, David Cuartielles, Tom Igoe, Gianluca Martino y David Mallis.(Arduino, 2014a). En lo que respecta al entorno para el desarrollo de los programas en este lenguaje, este fue creado tomando como modelo al entorno de programación Processing2, presentando este muchas similitudes al utilizado por Wiring. Es posible comunicar a los proyectos creados bajo Arduino con distintos tipos de software. (Arduino, 2014a). Dentro de las principales ventajas con las que cuenta una Arduino se encuentran: Entorno de programación simple y claro: el entorno de programación de Arduino propone un uso fácil para principiantes y flexible para usuarios avanzados. Esta convenientemente basado en el entorno de programación Processing. Software extensible y de código abierto: el software de Arduino está publicado bajo una licencia libre y preparado para será ampliado por programadores experimentados. El lenguaje puede ser ampliado a través de librerías de C++. Hardware extensible y de código abierto: Arduino esta basado en los microcontroladores ATMEGA. Los planos de los modulos del Arduino están publicados bajo licencia Creative Commons, por lo que los diseñadores de circuitos pueden hacer su propia versión del módulo, extendiéndolo u optimizándolo. 3

18 4 2 Marco teórico Multi-plataforma: El software de Arduino corre en los sistemas operativos Windows, Linux y Macintosh OSX. La mayoría de los sistemas microcontrolados están limitados a Windows. Económico: Las placas Arduino son relativamente baratas comparadas a otras plataformas de micocontroladores. Arduino UNO Una de las principales características que presenta la plataforma arduino es su gran variedad de modelos, brindando la oportunidad de tener una amplia gama para escoger el que mejor se ajuste a las necesidades que el problema a resolver requiera. Figura 2.1: Arduino Uno (Arduino, 2014). El modelo a usar en este proyecto corresponde al Arduino UNO, el cual esta basado en el microcontrolador (µc) ATmega 328. Cuenta con 14 pines de entradas/salidas digitales de los cuales 6 se pueden usar como salidas PWM, 6 entradas analógicas, un oscilador cerámico de 16 MHz, conexión USB y un botón reset. Como un resumen de sus principales características se tiene: 2.2 Processing Processing es un lenguaje de programación, entorno de desarrollo y una comunidad online. Este lenguaje, basado en Java, fue gestado con la simplicidad en mente, para que diseñadores, artistas, estudiantes, arquitectos, ingenieros, matemáticos, investigadores o simplemente personas con una gran curiosidad y motivación creativa puedan aprender a programar, sin que esto resulte un

19 2.3. Arduino y Processing 5 Cuadro 2.1: principales características Arduino Uno Microcontrolador ATmega328 Tensión de operación 5V Tensión de entrada (recommendada) 7-12V Tensión de entrada (limites) 6-20V Pines Digitales I/O 14 (6 preveen salida PWM) Pines analogicos de entrada 6 Corriente DC por I/O 40 ma Corriente DC por 3.3V Pin 50 ma Memoria Flash 32 KB (ATmega328) SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Velocidad del reloj 16 MHz dolor de cabeza ni tengamos que lidiar con una alta tecnicidad computacional, y que al mismo tiempo, disfrutemos de la flexibilidad que nos permite comunicarnos con la computadora en su propia lengua, el código. (Processing, 2014) Dentro de las ventajas con las que cuenta Processing se encuentran: Código abierto y de libre descarga. Programas interactivos con salidas 2D, 3D o PDF. Integración de OpenGL para aceleraciones 3D Multi-plataforma, corre en los sistemas operativos Wndows, Linux y MAC OS X. Cuenta con más de 100 librerías extendiendo el núcleo del software Esta bien documentado, con muchos libros disponibles. 2.3 Arduino y Processing Como se dijo, tanto Arduino como Processing son de código abierto y son herramientas para escribir programas de manera similar ya que ambos están basados en Wiring, lo que permite crear un ambiente familiar entre ellos, lo cual es bastante útil a la hora de querer comunicarse el Arduino con la computadora, ya sea tanto para querer manejar el arduino o desplegar en pantalla datos obtenidos por el Arduino. Teniendo en cuenta lo anterior se puede desarrollar una interfaz gráfica con Processing capaz de manejar y manipular los

20 6 2 Marco teórico datos obtenidos por Arduino, mediante la comunicación serial entre la computadora y el arduino. 2.4 MLX90614 El sensor MLX90614 desarollado por Melexis es un sensor infrarrojo para medir temperaturas sin necesidad de contacto alguno. Tal como se ve de su diagrama de bloques en la figura 2.2, este sensor cuenta con un amplificador de bajo ruido, un convertidor analógico digital de alta resolución de 17 bits, una unidad de procesamiento digital de la señal, garantizando una alta resolución y precisión alcanzada. El sensor viene de fábrica calibrado con una salida PWM y SMBus (System Management Bus). (Melexis, 2013). Figura 2.2: Diagrama de bloques MLX90614 (Melexis, 2013). Las temperaturas de ambiente (Ta) y del objeto (To) calculadas están disponibles en la RAM interna del MLX90614 con una resolución de 0,02 C, y son accesibles por las salidas tanto, con el protocolo serial de dos cables SM- Bus (I2C o TWI) o vía PWM (modulación por ancho de pulso) de 10-bits. En el caso de este proyecto se usara el protocolo I2C para comunicarse entre el arduino y el MLX (Melexis, 2013). Este sensor además cuenta con un filtro óptico que corta el flujo radiante visible e infrarrojo cercano, este filtro está integrado en el empaquetado para proporcionar inmunidad al ambiente y la luz solar. (Melexis, 2013). Campo de visión FOV Wynne y Campbell (2011) definen el campo de visión o FOV (de sus siglas en ingles Fiel of View) como el ángulo de incidencia al cual el sensor óptico es

21 2.4. MLX sensitivo a la radiación electromagnética, que en el caso del sensor MLX90614 seria a la radiación infrarroja que emiten los cuerpos. El FOV para un sensor MLX90614 se puede ver en la figura 2.3, que del gráfico mostrado se nota que a menor ángulo de incidencia la sensibilidad del sensor es mayor. Figura 2.3: Campo de medición (Melexis, 2013). El modelo a usar en este proyecto corresponde al MLX90614ESF-DCI, ya que este modelo cuenta con la mejor precisión y un campo de visión FOV más estrecho de todos los modelos de la familia MLX Si se observa el campo de visión de los sensores típicos MLX9014xAA mostrado en la figura 2.4, se pudenotarcomosufovesmuyancho,porlotantoconunsensibilidadmenor, pero con el modelo MLX90614DCI, donde su campo de visión se muestra en la figura 2.5, se observa que se reduce considerablemente el FOV, traduciéndose en una mayor sensibilidad y precisión a la hora tomar medidas de temperatura de un punto en especifico. Figura 2.4: Fov típico del MLX90614xAA (Melexis, 2013).

22 8 2 Marco teórico Figura 2.5: Fov típico del MLX90614xCI (Melexis, 2013). Distribución de pines MLX90614 En la figura 2.6 a continuación se puede la configuración de los pines del MLX90614: Figura 2.6: Distribución de pines MLX Que como se nota, los pines 3 y 4, corresponden a la alimentación del sensor, en este caso se usa el modelo MLX90614ESF-DCI, que se alimenta a 3.3 V, además de los pines usados en I2C, el SCL (serial clock) la entrada de la señal de reloj, y SDA (seria data) que es la segunda línea usada para transmitir información y corresponde a la línea de datos.

23 2.5. Servo motor Servo motor A diferencia de los motores DC, con los servo motores es posible posicionar el eje del motor a una específica posición (ángulo) usando una señal de control, el ejedelmotorsevaamantenerenestaposiciónmientrasquelaseñaldecontrol no sea cambiada, cuando la señal cambia la posicion angular del eje cambia. Esto resulta muy útil para controlar brazos robóticos u objetos que se quieran mover a ciertos ángulos y permanecer en esa posición. (furure electronics, s.f.) Los servo motores pueden ser clasificados de acuerdo a su tamaño y su torque de salida que pueden aguantar, se clasifican en servos mini, estándar y gigantes. Usualmente los de tamaño mini y estándar pueden ser alimentados por el Arduino directamente sin necesidad sin necesidad de fuentes externas o controladores. Los servo motores son pequeños, tiene una circuitería de control interna y es sumamente poderoso para su tamaño. Un servo normal o estándar tiene 42 onzas por pulgada o mejor 3kg por cm de torque, que es bastante fuerte para su tamaño. Un servo, por consiguiente, no consume mucha energía. En la figura 2.7, se muestra la composición interna de un servo motor, se puede observar la circuitería de control, el motor DC, un potenciómetro, un juego de piñones, y la caja. También puede ver los 3 cables de conexión externa. Uno es para alimentación Vcc (+5volts), conexión a tierra GND y el cable blanco o amarillo es el de control. Figura 2.7: Composición interna servo motor. Funcionamiento El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro conectado al eje central del servo motor. Este potenciómetro permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito chequea que el

24 10 2 Marco teórico ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados. Un servo normal se usa para controlar un movimiento angular de entre 0 y 180. La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad,elmotorcorreráaunavelocidadmáslenta.aestoselellamacontrol proporcional. En la figura 2.8 se muestra el diagrama de bloques de la composición de un servo básico, que cuenta con una motor, seguido de un juego de engranes que proporcionan una reducción de velocidad del motor, un sensor de posición, que es un simple potenciómetro que está sujeto al eje, mide hacia dónde está ubicado en todo momento, es así como la tarjeta controladora sabe hacia dónde mover al motor. Esta señal entra a un amplificador de error junto con una señal de tensión proporcionada por el controlador PWM, y sale hasta la entrada del motor DC indicándole cuanto debe este girar. Figura 2.8: Diagrama de bloques servo motor. Como se dijo anteriormente, el servo cuenta con un pin de control el cual acepta una señal de modulación por ancho de pulso (PWM), la cual puede ser fácilmente producida por cualquier µc como lo es la placa de Arduino. Esta señal es la que le va a decir al servo al cual ángulo posicionarse. La señal PWM recibida por el servo se componen únicamente de variaciones en la longitud del pulso, la longitud del pulso es proporcional al ángulo al cual el motor debe girar. El rango de la longitud del pulso corresponde a un mínimo de 1 ms y un máximo de 2 ms. El pulso de 1 ms va a corresponder a una rotación hasta un ángulo de 0, y el de 2 ms a una rotación hasta 180. Cualquier pulso entre 1 ms y 2 ms va a rotar el eje del servo al correspondiente angulo. En la figura 2.9 se muestra la manera en lo que anterior se aplica, donde un pulso de 1,5 ms mueve el eje a un ángulo de 90.

25 2.6. Protocolo de comunicación del bus I2C 11 Figura 2.9: Funcionamiento servo motor. 2.6 Protocolo de comunicación del bus I2C El bus I2C fue diseñado por Phillips a principios de los 80, para permitir una fácil comunicación entre componentes dentro de un mismo circuito. El nombre I2C viene de Inter-Integrated Circuit, traducido como inter circuitos integrados, algunas veces es llamado IIC o I 2 C bus. El bus I2C, un protocolo que facilita la comunicación entre microcontroladores, memorias y otros dispositivos con cierto nivel de inteligencia, sólo requiere de dos líneas de señal, por lo que es llamado TWI (Two Wire Inface) o interfaz de dos hilos. Permite el intercambio de información entre muchos dispositivos a una velocidad aceptable, de unos 100 Kbits por segundo. (Carletti, 2011). La comunicación de datos del bus I2C es serial y síncrona. Las dos señales del bus son bidireccionales y de drenaje abierto, una de la señales del bus marca el tiempo la SCL (serial clock) que es la línea de los pulsos de reloj que sincronizan el sistema y la otra que es la línea usada para intercambiar datos entro los dispositivos SDA (serial data). Ya que ambas señales son de drenaje abierto están se deben de polarizar en estado alto por medio de resistencia de pull-up (conectadas a la alimentación), y además todos los dispositivos conectados al bus deben compartir la misma tierra. (Carletti, 2011). Figura 2.10: Bus I2C.

26 12 2 Marco teórico En la figura 2.10 se puede ver la manera en que varios dispositivos se conectan al bus, y como las líneas están en estado alto cuando se encuentran inactivas. Una de los dispositivos, el cual controla todo el proceso es llamado maestro y los dispositivos que responden al maestro son llamados esclavos. Carletti (2011) propone una definición de los términos usados en el protocolo I2C, que resultan muy útiles en este proyecto: Maestro (Master): Dispositivo que determina los tiempos y la dirección del tráfico en el bus. Es el único que aplica los pulsos de reloj en la línea SCL. Cuando se conectan varios dispositivos maestros a un mismo bus la configuración obtenida se denomina multi-maestro. Esclavo (Slave): Todo dispositivo conectado al bus que no tiene la capacidad de generar pulsos de reloj. Los dispositivos esclavos reciben señales de comando y de reloj generados desde el maestro. Bus libre (Bus Free): Estado en el que ambas líneas (SDA y SCL) están inactivas, presentando un estado lógico alto. Es el único momento en que un dispositivo maestro puede comenzar a hacer uso del bus. Comienzo (Start): Se produce cuando un dispositivo maestro ocupa el bus, generando la condición. La línea de datos (SDA) toma un estado bajo mientras que la línea de reloj (SCL) permanece alta. Parada (Stop): Un dispositivo maestro puede generar esta condición, dejando libre el bus. La línea de datos y la de reloj toman un estado lógico alto. Dato válido (Valid Data): Situación presente cuando un dato presente en la línea SDA es estable al tiempo que la línea SCL está a nivel lógico alto. Formato de Datos (Data Format): La transmisión de un dato a través de este bus consiste de 8 bits de dato (1 byte). A cada byte transmitido al bus le sigue un noveno pulso de reloj durante el cual el dispositivo receptor del byte debe generar un pulso de reconocimiento Reconocimiento (Acknowledge): El pulso de reconocimiento, conocido como ACK (del inglés Acknowledge), se logra colocando la línea de datos a un nivel lógico bajo durante el transcurso del noveno pulso de reloj.

27 2.6. Protocolo de comunicación del bus I2C 13 Dirección (Address): Todo dispositivo diseñado para funcionar en este bus posee su propia y única dirección de acceso, preestablecida por el fabricante. Hay dispositivos que permiten definir externamente parte de la dirección de acceso, lo que habilita que se pueda conectar en un mismo bus un conjunto de dispositivos del mismo tipo, sin problemas de identificación. La dirección 00 es la denominada de acceso general ; a ésta responden todos los dispositivos conectados al bus. Lectura/Escritura (Bit R/W): Cada dispositivo tiene una dirección de 7 bits. El octavo bit (el menos significativo) que se envía durante la operación de direccionamiento, completando el byte, indica el tipo de operación a realizar. Si este bit es alto el dispositivo maestro lee información proveniente de un dispositivo esclavo. Si este bit es bajo, el dispositivo maestro escribe información en un dispositivo esclavo. Además cabe mencionar que la señal de ACK (acknowledgement, confirmación) es enviada/recibida desde ambos lados después de cada transferencia, haciendo que reduzcan los errores en la comunicación. (Carletti, 2001). Las ventajas más significativas de este protocolo de comunicación son: Solo dos líneas en el bus son requeridas. Simple relación maestro/esclavo existente entre todos los dispositivos. Cada dispositivo conectado al bus es direccionado por software mediante una única dirección. No hay estrictos requerimientos de tasa de baudios (baud rate), ya que el master es el que genera la señal de reloj en el bus.

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29 3 Desarrollo Esta primer parte abarca desde la conexión de los dispositivos al arduino así como el montaje de la estructura y la programación del arduino. 3.1 Sensor MLX90614 Lo primero en este proyecto es conectar al arduino y poner en funcionamiento el sensor MLX90614, lo cual se va a desarrollar en los siguientes apartados. Conexión Sensor MLX90614 Como ya se dijo anteriormente este sensor se va a conectar usando el protocolo seriali2calarduino,paraelloelarduinovaserusadocomomaestroyelsensor como esclavo. Siguiendo el diagrama de conexión de I2C de la figura 2.10, se debenconectarlaslíneassdayscldecadadispositivo,enelcasodelarduino estas líneas estas situadas en los pines analógicos 4 y 5 respectivamente, en el caso del MLX90614 serían los pines 2 y 1 respectivamente como se ve en la figura 2.6. La conexión físicamente se vería de la forma como muestra en la figura 3.1. Figura 3.1: Conexión MLX

30 16 3 Desarrollo Si se recuerda el diagrama de la figura 2.10, se puede notar que se conectan unas resistencias de pull-up para mantener las líneas en alto mientras el bus este libre, pero en la figura 3.1 no se observan estas resistencias, esto es debido a que estas resistencias de pull-up se pueden implementar internamente en el arduino por código, lo cual se explica en la siguiente sección. Programando el protocolo I2C. Para implementar el protocolo I2C para comunicar el arduino con el MLX90614, se debe hacer de una forma sencilla, para ello se va a hacer uso de librería ya implementada para este propósito. Arduino proporciona una librería para comunicación I2C llamada Wire, que en realidad es muy sencilla de usar, pero en el caso de este sensor, esta librería no va a ser servir para iniciar la comunicación tal como está planteada esta librería, hay que realizarle unos cambios para que funcione y agregarle funciones extra para que logre funcionar con el MLX Aparte de la librería Wire de Arduino, se puede encontrar la librería i2cmaster desarrollada por Peter Fleury, pero igualmente a esta librería hay que realizarle algunos cambios, como renombrar y cambiar ciertos archivos de la librería, sin embargo, la gente de bildr.org se encargó de esta tarea y realizo los cambios a la librería para que pueda funcionar con el MLX90614, debido a que esta librería es de código abierto y así la redistribuyeron en su página de internet, por lo que solo basta con descargarla e incorporarla junto con las demás librerías de arduino. (bildr, 2011) Entonces, prosiguiendo con el protocolo I2C, lo primero es incluir la libreríaparaasípoderhacerusodesusfunciones.pormediodelafuncióni2c init() de la libreria el arduino en condición de maestro inicializa el bus I2C. Como se mencionó anteriormente, se pueden usar las resistencias de pull-up internas del arduino por código, para ello se va a recurrir a modificar los registros del Arduino, específicamente los registros de los puertos, investigando en la página de Arduino, se puede encontrar que en el PORTD están mapeados los pines digitales de 0 al 7, en el PORTB están mapeados los pines digitales de 8 al 13, y en el PORTC están mapeados los pines analógicos de 0 al 5, así que como las líneas SDA y SCL corresponden a los pines analógicos 4 y 5, se va a manipular el registro PORTC para implementar las resistencias de pull-up (Arduino, 2014c). Entonces, lo que se hace es escribir un uno lógico en las posiciones 4 y 5 del PORTC, de esta manera se obtiene el mismo resultado que si se conectaran dos resistencias de pull-up en las líneas manteniéndolas en alto. Ahora, para poder iniciar la comunicación con el MLX9014, se debe conocer la dirección de esclavo para que el maestro (Arduino) pueda comuni-

31 3.1. Sensor MLX carse directamente. Recurriendo a la hoja de datos del MLX90614 (ver en los anexos), se encuentra que la dirección de esclavo (slave address, SA) del MLX90614 es la 0X5A, así que se va a direccionar a esa dirección para comunicarse con el sensor, sin embargo, cabe mencionar que como en este caso solo se tiene un dispositivo como esclavo conectado, se puede recurrir a la dirección de acceso general 0x00 para acceder a él, pero esto solo en caso de no conocerse la dirección de esclavo y que este sea el único conectado, ya que de este modo el maestro se comunica con todos los esclavos a la vez. De nuevo recurriendo a la hoja del fabricante, se busca las direcciones del contenido de la RAM del MLX90614 para saber dónde se alojan la temperatura ambiente (TA) y la de temperatura de objeto (Tobj1), así que de la figura 3.2 se nota que la TA está en la dirección 0x06 y la Tobj1 en 0x07. Figura 3.2: Direcciones de RAM MLX90614 (Melexis, 2013). Continuando con la hoja de fabricante, se encuentra la manera de calcular la temperatura a partir de lo obtenido en RAM, indicando que la entrega de la temperatura se da en dos bytes, ya que el protocolo I2C limita el envió a solo 1 byte a la vez. El fabricante además proporciona una fórmula para calcular la temperatura (válida tanto para la TA y la TO), la cual se muestra en la ecuación 3.1 (Melexis, 2013). T [K] = Toreg 0,02 (3.1) Así que, la temperatura disponible en RAM tienen una resolución de 0.02 C y está en Kelvin, el bit más significativo de los 16 bits corresponde corresponden a una bandera (flag) que indica si hubo un error en la medición (si vale 1 es un error). Para ejemplificar el cálculo de temperatura se considera el número obtenido de RAM 0x3BA4, así que el resultado se calcula de la siguiente manera: 1. Se convierte a un número decimal: 0x3BA4=15268

32 18 3 Desarrollo 2. El numero decimal se multiplica por 0.02: 15268*0.02=305,36 K 3. Finalmente se convierte a grados Celsius: 305,36 K-273,15=32,21 C La hoja del fabricante además dice la manera en la que debe establecer la comunicación, y se muestra en la figura 3.3. Figura 3.3: Formato protocolo del bus MLX90614 (Melexis, 2013). De la figura 3.3,se observa que la secuencia para comunicarse es primero enviar 1 bit como condición inicial, luego la dirección SA, seguido de un bit con un valor de 1 (para un escritura Write equivale a 1), en seguida se debe esperar por un ACK por parte del esclavo reconociendo que es la dirección correcta, si se recibe un NACK significa que el dispositivo se encuentra ocupado y se debe esperar a que se reciba el ACK para continuar, y hasta este punto seria lo que se necesita para iniciar la comunicación con el esclavo (el sensor MLx90614). Justo estos son los cambios que se le deben hacer a la librería para que pueda funcionar con el MLX90614, debido a esta particular forma de protocolo usado en el bus I2C. Para poder hacer lo anterior mencionado se usa la función de la librería i2c start wait(), que lo hace es enviar la condición de inicio, transfiere la dirección y espera a recibir el ACK, el parámetro que recibe la función es un byte que debe tener la estructura de trama que se muestra en la figura 3.4. Figura 3.4: Estructura de trama escritura (Melexis, 2013).

33 3.1. Sensor MLX Como la SA corresponden a 7 bits (0x5A en este caso), estos necesitan estar en la parte alta del byte de trama, por lo que esta dirección se ingresa en la variable dispositivo y corre a la izquierda 1 posición. Este código se veria: int dispositivo = 0x5A<<1; i2c_start_wait(dispositivo+i2c_write); Donde I2C WRITE tienen el valor de 1 lógico para indicar que se trata de una escritura (Write) y se suma para incluirlo en el byte del parámetro que recibe la función. Una vez establecida la comunicación con el esclavo, lo que sigue es preguntarle por el contenido de la RAM para saber las temperaturas TA y TO, para ello debemos seguir con el protocolo de lectura mostrado en la figura 3.5. Figura 3.5: Formato de lectura en el SMBus. Se prosigue enviando la dirección (como comando) de donde se va leer en RAM la temperatura, un 0x06 para TA y 0x07 para TO y esperar por un ACK, para ello se utiliza la función i2c write(), donde el parámetro que recibe es el byte a escribir (dirección en RAM). Seguidamente, según el protocolo para lectura, se debe volver a enviar la condición de inicio repetida (Sr), se usa la función i2c rep start(), con el parámetro de la dirección de esclavo SA, pero esta vez con el formato de trama de la figura 3.6 para indicar que es una lectura (bit menos significativo igual a 0) e inmediatamente esclavo debe enviar un ACK. Siguiendo con la figura 3.5, el esclavo ahora envía los bytes con la temperatura almacenada en RAM, comenzando el byte de la parte baja, pero antes de enviar la parte alta, el maestro le debe enviar un ACK al esclavo para indicarle de que recibió el byte y lo mismo luego de enviar el byte de la parte alta, para hacer esta tarea se usa la función i2c readack(), que lee un byte del dispositivo I2C (MLX90614) y envía un ACK para solicitar el siguiente byte, y así se hace para leer los bytes de la parte baja y alta, para leer el tercer byte el PEC igual se le envía un ACK pero este seguido de un bit que indique que se finalizó la lectura e informarle al esclavo de ya no envié más bytes, se usa la función i2c readnak() para este propósito, que lee un byte del

34 20 3 Desarrollo esclavo y seguidamente envía la condición de parada, ya con esto concluye el ciclo de lectura. Para la escritura hay un formato parecido, pero en este caso no interesa, ya que no se le va a modificar escribiéndole nada a los registros del MLX. Luego de leer, el maestro debe terminar la transferencia de información con el esclavo para dejar libre el bus I2C, para ello se usa la función i2c stop() que cumple con esta tarea. Figura 3.6: Estructura de trama lectura (Melexis, 2013). Lo que sigue ahora es usar la ecuación 3.1, para calcular la temperatura leída a partir de los bytes de parte alta y baja almacenados en las variables partealtadatos y partebajadatos, estos bytes se tienen que acomodar en una sola variable que incluya ambas partes, para ello se usa la variable datostemp, loprimeroesaplicarleunamáscaraalapartealtodelosdatosparahacerigual a 0 el bit más significativo de este byte que contiene una bandera indicando si hubo error, luego de aplicar la máscara se corre 8 posiciones hacia la izquierda este byte para darle campo a que se situé la parte baja y formar un numero de 2 bytes, ya con los bytes acomodados se multiplica este número por 0.02 que es el factor de temperatura de la resolución de lectura y se le resta para hacer una corrección de temperatura, todo esto según lo indica la hoja del fabricante para el modelo especifico de MLX90614 usado en el proyecto (Melexis, 2013). Y con esto finalizaría lo que respecta a tomar la lectura del sensor MLX, para simplifar la hora de tomar la lectura todo esto se agrupa en la función llamada leersensormlx(). Servo motores Conexión Servo motores Como ya se explicó los servo motores (servos, para simplificar) tienen 3 cables asusalidaquecorrespondena:rojovcc(+5v),negrognd(tierra)yamarillo el de control, por lo que la conexión al arduino de los servos debe hacerse de manera que con coincidan la alimentación y la tierra, el cable de control del servo debe ir conectado a uno de los pines digitales del arduino, la conexión de los servos se muestra en la figura 3.7.

35 3.1. Sensor MLX Figura 3.7: Conexión servos. Quecomosenotadelafigura3.7,losservosseconectanalospinesdigitales 6 y 7. Estructura de soporte La estructura de soporte que permita dar el movimiento a las piezas a usar en este proyecto es la llamada pant/tilt bracket, mostrada en la figura 3.8.

36 22 3 Desarrollo Figura 3.8: Pant/tilt bracket. (SparkFun, 2014). Donde esta estructura consta de dos soportes y todo el hardware necesario para poder hacer un mecanismo que pueda realizar un movimiento horizontal / vertical mediante dos servomotores. Encima de esta estructura es donde se va a colocar el sensor MLX90614 permitiendo que este se pueda mover en dos dimensiones para poder escanear un área determinada. Programación de los servos y ajuste de la estructura Con los servos conectados y la estructura movil armada, lo que sigue es hacer que los servos puedan mover la estructura, para ello mediante el arduino se procede a programar el movimiento de los mismos. Usando la librería Servo proporcionada por Arduino se simplifican mucho las cosas a la hora de programar los servos, ya que, en ella se encuentran las instrucciones para manejar mediante control PWM, y simplemente con la librería es recurrir a estas funciones para darle movimiento a ángulos que se requiera posicionar su eje (Arduino, 2014e). A continuación se explicaran las funciones a usar de esta librería: Attach(): permite adjuntar el servo a un pin digital del arduino, este no tiene que ser necesariamente un pin PWM, como parámetro esta función recibe el pin al que se desea conectar el servo. Write(): Función donde el parámetro que recibe corresponde a un ángulo entre 0 y 180 grados, controlando el eje para posicionarlo a ese ángulo especificado.

37 3.2. Comunicacio n Serial Primera parte 23 Y con estas dos funciones de la librerı a Servo, ya se pueden controlar a libertad los servos. Ahora lo que sigue es ajustar la estructura de acuerdo al movimiento de los servos, ya que en el movimiento horizontal de la estructura no hay problema, pero en el movimiento vertical de la estructura se deben realizar ajustes ya que este movimiento es limitado por el tipo de montaje de la misma, ya que como se ve en la figura 3.9, debido a que esta se sujeta con tornillos estos impiden todo el movimiento de los 180 grados que ofrece el servo vertical. Figura 3.9: Limitaciones estructura. Mediante un programa de prueba, se busco el ajuste ideal de la estructura para que esta se puede mover en rango adecuado y que se pueda escanear todo un a rea sin problemas, este rango resulto ser desde los 35 como lı mite inferior hasta los 175 como lı mite superior. 3.2 Comunicacio n Serial Primera parte La comunicacio n serial entre el arduino y processing se plantea bajo el esquema de Handshake o apreto n de manos, que consiste ba sicamente en que cuando un dispositivo este hablando el otro este escuchando. Para lograr esto se debe asegurar de que uno se encuentre enviando y el otro recibiendo comandos, para ello el destino de la comunicacio n envı a un mensaje de ACK al origen de esta para confirmar la recepcio n del mensaje o comando. En este caso processing es el que envı a los comandos y el arduino se encarga de recibirlos y ejecutarlos.

38 24 3 Desarrollo Los comandos que va a recibir el arduino por medio de la comunicación del puerto serial van ser guardados en un buffer y este posteriormente va a ser analizado para si saber es un comando valido, por medio de la función analizarserial(), siempre y cuando mientras haya datos disponibles en el puerto serial. Estos datos son en realidad los bytes de los caracteres del comando recibido y estos van a ser almacenados en una variable llamada bufferserial, que no es más que un array de char con una longitud de 10 posiciones, el buffer se va a terminar de llenar cuando se recibe el carácter ; que indica el final del comando recibido, esta función regresa un true indicando que se recibió el comando adecuadamente, si no se recibe este carácter y se sobrepasan las 10 posiciones la función regresa un false indicando que hubo un error en la recepción del comando serial. Unavezconelbufferlleno,seprocedeaanalizarelcomandorecibidodonde el primer carácter del comando va a corresponder a la función a ejecutar y se lista a continuación: s: El comando indica cambiar el límite superior del movimiento vertical de la estructura, el comando va seguido del ángulo superior, ejemplo s175.00;. i: El comando indica cambiar el límite inferior del movimiento vertical de la estructura, el comando va seguido del ángulo inferior, ejemplo i35.00;. h: El comando indica modificar la posición de movimiento horizontal de la estructura, el comando va seguido del ángulo al cual se va a mover el servo horizontal, ejemplo h115.34;. v: El comando indica modificar la posición de movimiento vertical de la estructura, el comando va seguido del ángulo al cual se va a mover el servo vertical, ejemplo v70.10;. t: El comando indica que se le está solicitando al arduino enviar la temperatura objeto obtenida del MLX90614, ejemplo del comando r;. a: El comando indica que se le está solicitando al arduino enviar la temperatura ambiente obtenida del MLX90614, ejemplo del comando a; ; Esos serían los posibles comandos a enviar y recibir. Cada vez que el arduino recibe un comando este debe responder con un ACK para indicar que recibió el comando correctamente y que está listo para recibir el siguiente.

39 3.2. Comunicación Serial Primera parte 25 Como se vio de los ejemplos de los comandos, al recibir la posición a la que se deben mover los servos, estos números recibidos que corresponden a los ángulos son números que contienen decimales y además lo que se reciben son los bytes de los caracteres, por lo que es necesario convertir estos caracteres en un número float. Para esta tarea se implementa la función convertirfloat() que recibe como parámetros el array de char a convertir y el índice de la posición a partir de la cual empezar a convertir, y la forma de convertir de un carácter ASCII a un entero es simplemente restándole 48 al número hexadecimal del byte recibido, por ejemplo si recibe el carácter 6 que recurriendo a una tabla ASCII () corresponde a un 0x36 en decimal seria 54 y 54-48=6, por lo que de esta manera es posible realizar la conversión de un char a un entero (ASCII, 2014). Pero ahora si se recibe el comando v106.54;, donde cada digito del comando es un carácter por separado, entonces, para poder convertirlo a un float se sigue el siguiente procedimiento empezando por el índice 1 (después de la v): 1. Se tiene un numero v=0 2. Se revisa si el siguiente carácter es un. O ;, sino es así, se multiplica por 10: v=0*10=0 3. Se le resta 48 al primer carácter y se suma a v, v=(49-48)+0=1 4. Se multiplica v por 10 para dar campo al siguiente número: v=1*10=10 5. Setomaelsiguientecarácterseleresta48ysesumaav=(48-48)+10=10 6. se vuelve a multiplicar por 10: v=10*10= De nuevo se toma el siguiente carácter y se repite el proceso anterior: v=((54-48)+100)= Pero antes de volver a multiplicar por 10, como el siguiente carácter es un punto, ahora no se multiplica por 10 sino que se divide por Se toma el carácter después del punto se le resta 48 y se divide entre 10 y se suma a v: v=106+(53-48)/10= Se revisa si el siguiente carácter es distinto de ;, si no es así se procede con el siguiente carácter pero ahora se divide entre 100: v=106.5+(52-48)/100= Ahora como el siguiente carácter es un ;, se termina la conversión.

40 26 3 Desarrollo Ya con la conversión realizada se le pueden pasar a los servos los ángulos de movimiento. La función que se encarga de interpretar el comando recibido se llama comandoservo(), y devuelve un true si se recibió el comando correctamente,encasodehaberserecibidomaldevuelveunfalseeimprimeenpantalla el error que sucedió. Una vez recibido el comando correctamente, este se debe remitir a los servos para que se posicionen y seguidamente enviar a processing una confirmación de que se recibió el ángulo, para ello se usa el comando ACK de la forma, siguiendo el ejemplo del comando anterior, AV106.54;, donde la A de ACK, V de vertical seguido del ángulo y en conjunto significa se recibió el ángulo de la posición vertical 106,54. La función encargada de esto es la llamada moverservos(). Lo anterior fue en caso de recibir un comando para los servos, pero si se recibe un comando de temperatura, lo que se hace es enviar un comando de vuelta de la forma, que contenga un ACK seguido de la temperatura solicitada. Por ejemplo se recibe el comando a;, que indica que se está solicitando la temperatura ambiente, el arduino responde con el comando AA24.53;, donde la A es de ACK, la siguiente A de temperatura ambiente y seguido de la temperatura en este caso La función encargada de los comando de temperatura se denomina comandotemp(), y como parámetro recibe el buffer serial con el comando enviado por processing. 3.3 Circuito Final Para terminar de armar el circuito se conecta un diodo laser, que va a cumplir la función de apuntador para saber en qué punto se va a estar tomando la temperatura objeto. El circuito final se presenta en la figura 3.10.

41 3.4. Processing 27 Figura 3.10: Circuito final Para finalizar esta parte de lo que respecta al arduino, resumiendo, en el setup se inicializa la configuración del sensor MLX90614 y los servos, como los pines a los cuales van conectados, así como la posición inicial de los servos. En el loop, que es lo que se va repetir indefinidamente, se actualiza la temperatura en cada ciclo, y si hay datos en el puerto serial, se ejecutan las acciones de acuerdo a los comandos recibidos como mover los servos o enviar la temperatura. 3.4 Processing Processing va ser usado como medio para poder generar una interfaz gráfica mediante la cual poder controlar la cámara térmica, además de encargarse de procesar la información obtenida del sensor de temperatura y generar el mapa de distribución de temperatura o imagen térmica, así como enviar los comando al arduino mediante la comunicación serial.

42 28 3 Desarrollo Comunicación Serial Segunda Pate Ahora se verá la comunicación por el puerto serial pero desde la perspectiva de processing, donde processing es el encargo de enviarle comando al Arduino para que este los interprete y pueda ejecutar las acciones correspondientes. Lo primero es definir la forma en que se van a enviar los comandos de movimiento de los servos, que ya en la primera parte se definió que van a ser los que empiezan por los caracteres v y h para las posiciones vertical y horizontal respectivamente. Para poder escribir en el puerto serial se usa el método de Processing llamado write() de la librería serial, donde el parámetro que recibe corresponde a la cadena de caracteres a escribir. (Processing, 2014a). Entonces, como en el caso de los comandos de los servos se necesita una confirmación de recibido por parte de arduino o un ACK, es necesario contar con una forma de poder recibirlos, para ello se usa el método de processing llamado serialevent() el cual es llamado generando una interrupción al programa cada vez que hay datos en el puerto serial, estos datos son leídos usando el métodoread()de processing.una vezleídoslos datos se guardan en el buffer serial hasta que se reciba el carácter ; indicando que es el fin del comando recibido y dejando listo el comando para ser interpretado (Processing, 2014b). Paraenviarlaposiciónalacualelservosetienequemover,sedefinelafunción comandoserial(), que se encarga de enviar por el puerto serial el comando que recibe como parámetro y además esperar el ACK del comando enviado. El comando se envía como una cadena de caracteres o un string simplemente escribiendo en el puerto serial, pero ahora se entra en un nuevo problema estos ángulos de las posiciones a enviar corresponden a un tipo de datos float, por lo queesnecesariocontarconunafunciónqueconviertadefloatastringparapoder enviarlos, esta función se llama convertfloatastring(), que recibe como parámetro un número float, lo redondea a dos decimales, y lo convierte a un string. Para esperar por el ACK, se crea una función llamada esperarserial(), que recibe como parámetro el comando esperado, este comando esperado se compara con lo que se encuentra en el contenido del buffer serial, si son iguales significa que se recibió el comando esperado, pero si son diferentes hubo un error en la comunicación y se debe esperar un tiempo para volver a enviar de nuevo el comando y esperar por su respectiva confirmación de recibido. Ahora para los comandos de temperatura, processing debe enviar el comando t o a para solicitar o la temperatura objeto o la ambiente respectivamente según corresponda, y luego esperar a recibir el comando que incluya