En este capítulo se describirá los pasos que se siguieron para la elaboración

Transcripción

1 Capítulo 4: Diseño electrónico En este capítulo se describirá los pasos que se siguieron para la elaboración electrónica de los circuitos del prototipo. Las opciones que se consideraron y las decisiones que se tomaron finalmente. 4. Configuración de Sensores de proximidad IR. Ya terminado el diseño mecánico ahora se enfocó a lo que es el diseño electrónico para esto se realizaron varias pruebas con distintas configuraciones de diferentes sensores infrarrojo ya que en un principio fue la opción más viable por el tamaño del prototipo y la distancia a la que debería de sensar. Por esto se probó el encapsulado TCRT5000 el cual contiene el emisor y receptor juntos. Después se le calcularon las resistencias para controlar la corriente que pasa por el led infrarrojo y un comparador con el fin de caracterizarlo y así el voltaje variara de 0 a 3. volts, se probó el sensor y efectivamente nos daba los resultados que queríamos pero simplemente era un sensor analógico que variaba gradualmente con la distancia y que además era afectado fácilmente por la luz solar o simplemente por las lámpara del laboratorio por lo que descartamos la posibilidad de utilizarlo [8]. 50

2 Figura 4. configuración con sensor en encapsulado TCRT5000 Con lo anterior nos dimos cuenta que era necesaria una modulación de la luz emitida por el led y que también la luz detectada por el fototransistor sólo fuera la luz modulada a cierta frecuencia. Buscando, encontramos el siguiente circuito que utiliza un fototransistor PNA450 el cual tiene una modulación interna para sólo detectar la luz a 38KHz. Es decir sólo faltaba hacer la modulación del led infrarrojo como a continuación se muestra. Era la mejor opción; sin embargo, el circuito ocupaba más espacio del que se tenía para instalar los sensores en el prototipo, así que se buscaron otros sensores que no necesitaran de tal circuito modulador [8]. Figura 4. Configuración con sensor en encapsulado PNA450 Finalmente se encontró el IS47F que es un encapsulado de la marca SHARP. Este actúa al recibir luz infrarroja modulada a cierta frecuencia, mandando una señal 5

3 lógica dependiendo de su alimentación por ejemplo en este caso se alimento con 4. volts y por la caída en el led su salida era de 3.7 volts. Este sensor cuenta con un modulador interno en una de sus patas que se conecta al led infrarrojo para modular la frecuencia del led y así sólo recibe la luz del led modulado y ninguna otra fuente de luz. Por estas propiedades se decidió implementar este sensor ya que requiere sólo de un circuito muy sencillo para funcionar, y esto era una gran ventaja ya que en comparación con los anteriores este sólo requiere de un área muy pequeña. Se diseñó la configuración en el programa Proteus ISIS 6 Professional y quedó de la siguiente manera. Figura4. 3 Diseño de circuito sensor Ya teniendo la configuración se probó en un protoboard y la distancia a la cual detecta depende del valor de la resistencia. Los delanteros detectan con una resistencia de 0Ω a una distancia de 4cm. Mientras que los traseros con una de 50 Ω detectan a 6cm. El circuito funcionó correctamente por lo que se prosiguió a realizar un circuito impreso para ahorrar espacio y poder colocarlo en el prototipo, el diseño quedo de la siguiente manera 5

4 Figura 4. 4 Diseño para circuito impreso de circuito sensor De esta manera se tienen los sensores infrarrojo terminado y colocado con una distancia de detección de entre 4-6 cm. Figura 4. 5 Sensores infrarrojos en el móvil. 4. Tarjeta Spartan 3: starter board. Durante el proyecto se utilizó la tarjeta Spartan 3, desarrollada por Xilinx tiene la cualidad de que a un bajo costo y con una facilidad de uso se pueden desarrollar proyectos de cualquier complejidad. Esta tarjeta está dotada con elementos tales como [9]: 00,000 compuertas Xilinx Spartan-3 XC3S00 FPGA en un encapsulado XC3S00FT56 4,30 celdas lógicas equivalentes doce bloques de 8K-bit de RAMs es decir (6K bits) doce 8x8 multiplicadores en hardware. Cuatro relojes maestros digitales (CDMs). 53

5 Hasta 73 puertos de entradas/salidas. contiene una plataforma Xilinx XCF0S de Mbit en sistema de configuración programable PROM puertos de expansión. Programable por medio de interface JTAG. Alimentación: 5V a 00 ma Los bloques de entradas y salidas (IOB) proveen de un interfaz programable bidireccional entre los pines de entrada y salida y la lógica interna de los FPGAs. La figura 4.6 muestra el diagrama simplificado de estos bloques, los cuales se pueden programar de tres diferentes maneras ya sea como entrada, salida o de tercer estado. Figura 4. 6 Diagrama de un bloque de entrada o salida 54

6 Todos los parámetros de entrada y salida en las especificaciones del fabricante son representativos ya que contienen un margen de error por pérdidas del voltaje de alimentación o por condiciones de temperatura en las cuales se trabaje pero los rangos no varían mucho de la siguiente tabla. Tabla 4. Rangos máximos de voltaje de la tarjeta spartan Circuito de alimentación para sensores y puente H. Como se vio antes la tarjeta spartan 3 sólo soporta voltajes de entrada óptimos de 3.3 v y máximos de V esto es de 4.5V según la tabla anterior, por lo que con la fuente normal no es posible alimentar a los sensores puesto que el circuito necesita ser alimentado con 6 V que es con el voltaje que trabajan los motores de CD y los servomotores del móvil. Fue necesario utiliza un regulador de voltaje positivo a 3.3 volts de Texas instruments es el UA78m33 el cual tiene la capacidad de regular voltaje desde 5v hasta 5 v con una salida regulada fija de hasta 3.3 volts los cuales de acuerdo a lo que antes se dijo es soportada por la tarjeta Spartan 3. 55

7 La configuración utilizada para el regulador es la aplicación más usada en circuitos, utilizando el 78m33 y dos capacitores de uno de la entrada al común y otro de la salida al común, esto para que El capacitor C, filtra la tensión del rectificador, mientras que el capacitor C desacopla la alimentación como se muestra en la figura.4.7. C 330n U 7805 C 3 VI VO GND 00n Figura 4. 7 Configuración de Regulador de voltaje a 3.3V Con esto se tiene la alimentación de los sensores ya que como anteriormente se dijo la salida del sensor depende de la alimentación y esta salida tenía que ser 3.3 V por la entrada que admite la tarjeta de control del FPGA. Como se ve en la figura 3. el sistema tiene motores de CD ya que estos servirán para un desplazamiento más rápido en terrenos planos y poco accidentados. Para el control de estos motores es necesaria la utilizacion de un Driver bidireccional que soporte la corriente que dadas las caracteristicas de los motores en promedio es de 00mA por cada uno. Para solucionar esto se buscó entre varios drivers y configuraciones de puentes H. En primera instancia se encontró un driver bidireccional L98N el cual contiene dos configuraciones similares a un puente H como se vio en el capítulo y que se alimenta de 5 a 46 V y puede entregar una corriente de hasta 3A. (figura 4.7) 56

8 Figura 4. 8 Configuracion interna de driver L98N. Donde se tiene una lógica similar a la de un puente H con la diferencia que tiene una entrada EN (enable) ya que con esta entrada se puede controlar la velocidad, además de la direccion, al mismo tiempo la dirección siguiendo la lógica de la tabla 4., mientras que la velocidad con un PWM en esta pata del integrado. Sin embargo, como estamos usando un motorreductor no hay necesidad de controlar la velocidad así que ésta entrada se mantiene en lógico siempre. ENTRADAS FUNCIONES V EN = logico V EN = 0 logico IN =logico : IN =0logico IN =0logico : IN =logico IN =logico : IN =logico IN =No importa IN =No importa ADELANTE ATRÁS MOTOR DETENIDO MOTOR LIBRE Tabla 4. Lógica para driver. 57

9 Se realizó el circuito para la configuración de control bidireccional de un motor en el protoboard y posterior mente en circuito impreso, sin embargo después de leer la hoja de datos se detecto un problema y es que por el voltaje de control mínimo del driver que es de 4.5V y la diferencia de salida de la tarjeta de control que es de 3.3V la polarización del driver algunas veces si se realizaba y en otras ocasiones no. Por lo que se decidió no utilizar este circuito integrado. Finalmente se encontró una configuración de puente H, que aunque es un poco más elaborada es también muy funcional. La figura 4.9 muestra esta configuración la cual sigue la misma lógica que la tabla 4. sin el enable. Figura 4. 9 Configuración final de driver [0]. Es sabido que el sentido de un motor de corriente directa depende esencialmente de la polarización de sus terminales y por ende del sentido en el que pasa la corriente por medio del motor. Por lo que para el control de los motores se utilizó el puente H con 58

10 transistores TIP ya que la función de los transistores es abrir y cerrar el paso de corriente, como si fueran interruptores. El funcionamiento de este puente H para el avance de un motor de CD es por medio del control del circuito, poniendo 3.3V en la entrada de avance y 0V en la de retroceso. De esta manera se realiza la polarización del transistor Q por la circulación de la corriente en la base de este transistor para llevarlo a saturación y posteriormente Q polarice de igual forma a Q y Q5 y así la corriente pasa del punto a al punto b moviendo el motor en un sentido.. Con toda esta información se realizó una simulación animada del puente H en el software Proteus con lo que se vio el buen funcionamiento de este circuito.(figura 4.0) Q TIP3 Q R 7R D D3 R 7R Q5 Q7 N N4004 N4004 TIP3 Q4 TIP D4 N4004 D N4004 Q3 N R4 k B V B 3.3V SW TIP3 SW-SPDT R3 k SW SW-SPDT Figura 4. 0 Simulación del puente H Posteriormente ya simulado el driver se sumó a este circuito los reguladores de voltaje a 3.3V para la alimentación de los sensores. Se realizaron dos circuitos impresos con un puente H y alimentación para dos sensores cada uno, ya que aunque tenemos cuatro 59

11 llantas el comportamiento de las dos llantas del lado izquierdo y las dos llantas del derecho se comportan de igual manera (Figura 4.). J U 7805 VI VO 3 SIL-56-0 GND Q TIP3 Q R 7R Q7 N Q4 TIP3 J3 CONN-SIL3 3 D N4004 D4 N4004 J4 CONN-SIL3 3 D D3 N4004 N4004 7R TIP3 Q3 R Q5 N R4 k 3 TIP3 R3 k 3 J5 CONN-SIL3 J6 CONN-SIL3 J SIL-56-0 Figura 4. Circuito de driver con reguladores de voltaje. Finalmente se realizó el circuito impreso en el software ARES (figura 4.) y se manufacturó. Con lo que se culmina con el diseño electrónico. Figura 4. Diseño de Circuito Impreso Final en ARES e Impreso Terminado e instalado en móvil. 60

12 4.4 Diagrama electrónico general del sistema. En la imagen 4.3 se muestra el diagrama electrónico general del móvil. Se tienen las entradas de los sensores y switches que mandan las señales al FPGA, el cual toma las decisiones programadas y de acuerdo con esto envía las señales de salida que pasan a través del puente H si son para los motores de CD o si son los PWM estas señales pasan por la tarjeta de conexión con los servos. Figura4. 3 Diagrama general del diseño electrónico. 6