Umbral Científico ISSN: Universidad Manuela Beltrán Colombia

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1 Umbral Científico ISSN: Universidad Manuela Beltrán Colombia Harker, Orlando; Jiménez, Alexánder; Ávila, Oscar DISCRIMINADOR DE SONIDOS TACTIL Y VISUAL Umbral Científico, núm. 4, junio, 2004, pp Universidad Manuela Beltrán Bogotá, Colombia Disponible en: Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

2 RESUMEN Este artículo presenta un Discriminador de Sonidos, destinado a notificar tres tipos de eventos a personas con discapacidades auditivas o visuales, resultado de una investigación que la UMB realizó patrocinada por COLCIENCIAS Y CINTEL. El discriminador se compone de dos partes: una estación base y un elemento portátil. La estación base se encarga de tomar la señal de la fuente sonora a través de un micrófono transductor, esta señal es filtrada en frecuencia. Esta información es digitalizada por medio de conversores A/D, para que un microcontrolador procese estos datos y los envíe vía radio hasta el dispositivo portátil. Este último recibe la señal de radio y entrega el código a otro microcontrolador, el cual entregará señales a los actuadores de respuesta al usuario. ABSTRACT This article presents a Discriminating Sounds Device, destined to notify three types of events to people with auditory or visual problems. It has two parts: the base station and the portable device. The base station is in charge to take the audio signal from the sonorous source with a microphone, which is filtered. This information is digitized by A/D converters, so that a microcontroller processes these data and send a radio signal until the portable device. This device receives this radio signal and gives a code to another microcontroller, which send electrical signals to the actuators to notify the events to the users. Palabras clave: Análisis de señales, dispositivos inalámbricos, discriminador de sonidos, usuarios discapacitados. Keywords: Signal processing, wireless devices, discriminating sounds device, deaf users. INTRODUCCIÓN La comunicación permite a la persona sordo-ciega adaptarse e integrarse y esto se basa en la intensiva utilización de todos los recursos sensoriales que aún poseen: restos visuales o auditivos, la piel (tacto), olfato, gusto, pero es el sentido del tacto el que adquiere una especial relevancia en sus necesidades de comunicación, de adquisición de conocimientos, de aprendizajes. Los sistemas de comunicación son diversos, generalmente involucran la(s) mano(s) de la persona sordo-ciega y de su interlocutor o intérprete. Los sistemas de comunicación se pueden dividir en alfabéticos y no alfabéticos, si incluyen o no la lecto-escritura de cualquier forma y dependen para su enseñanza y uso de condiciones y aprendizajes anteriores. [1]

3 OTRAS FORMAS DE ACCEDER A LA INFORMACION DIFERENTES AL DSTV A. En Información del medio Intercomunicadores : que permiten percibir al tacto el timbre de la puerta, o el timbre del teléfono (para este efecto también se ha usado un ventilador) Vibra Call: ofrece información táctil sobre el timbre de la puerta, el teléfono o alarmas de fuego o robo Alert master: notifica diferentes eventos recibiendo los impulsos electrices de las fuentes sonoras y los notifica de manera táctil Relojes y despertadores táctiles Reloj pulsera cuya tapa se abre y la persona explora táctilmente el reloj. B. En Información Impresa: Computadora con Scanner, display braille y Modem. Telelupa : aumenta la imagen del T.V. Telecámara, permite leer un texto en tinta, actúa como una lupa C. Otras ayudas Equipo de radio comunicaciones (por medio de la clave Morse, al tacto) Máquina Perkins Impresoras braille Agenda braille Calculadora braille Juegos Básculas braille Artículos de escritorio para ciegos [1] Se presenta como una necesidad el diseño y construcción de un dispositivo de tipo Vibracall que brinde un mayor grado de independencia a personas sordas y sordo-ciegas en un ambiente cerrado y determinado como la oficina o el hogar. Se piensa inicialmente en discriminar tres sonidos de relevante importancia en el ambiente residencial. El sonido de una alarma, el sonido del repique telefónico y el sonido del timbre de la puerta. Una solución previa en trabajos anteriores y equipos comerciales ha sido por detección de las fuentes de alimentación de energía eléctrica cuando se activa alguna de las fuentes de sonido. Este método, aunque eficiente en sí mismo, restringe su aplicación a fuentes de sonido que se activan con energía eléctrica, y a una adecuación física del lugar de instalación con restricciones muy rígidas. Se propone el diseño, desarrollo y montaje de un prototipo que sea capaz de discriminar tres fuentes de sonido a partir de las señales de audio, como una primera etapa del proyecto.

4 DESARROLLO DEL PROYECTO El equipo consta de una estación base que realiza la discriminación del sonido y envía una señal de radio hasta un dispositivo receptor, el cual notifica al usuario que el sonido se ha presentado en el ambiente. Fig. 1. Estación base Las etapas del circuito de la estación base son: - Preamplificador de entrada: recibe la señal débil del micrófono transductor y la amplifica para entregarla a los circuitos de filtrado. Incluye un filtro pasa bajas, cortando las frecuencias de ultrasonido y superiores. - Filtros Pasabanda: son seis circuitos de filtros activos de cuarto grado para cada componente de las señales parametrizadas. - Conversor análogo digital: se trata de circuitos rectificadores, integradores y comparadores de nivel, para establecer un valor digital alto H (high) o bajo L (low) para cada banda de frecuencia cuando la señal contiene las componentes preestablecidas para cada filtro. - Microcontrolador: programado para realizar las tareas lógicas digitales. - Módulo transmisor: encargado de enviar la señal de radio al dispositivo portátil, empleando una antena transmisora. - Circuito de potencia: alimenta el circuito con niveles adecuados de corriente continua. A. Filtrado de la señal de audio Caracterización de las señales de audio de interés. Se toman como señales de interés la señal de la alarma, la señal del repique telefónico, la señal del timbre de la puerta. Las señales que estamos considerando son funciones f(t) armónicas en el tiempo, y dado que cumple con las condiciones de Dirichlet, [3] su composición se puede expresar como la suma de sinusoides de la forma: F(t) = Co + Σ2Cn cos (nwot + angcn)

5 Donde: Co: Es el nivel DC sobre el cual esta montado la señal Cn: Es el vector amplitud de la componente de frecuencia n-esima Wo: Es la frecuencia fundamental de la señal expresada en radianes por segundo. Esta es la serie trigonométrica de Fourier, la cual nos va ha permitir caracterizar la señal. Donde: T: Es el periodo de la fundamental de la señal Cn = 1/T f(t)exp(-jnwot)dt [4].[5] Además, Co = 1/T f(t) dt Utilizando las relaciones que arrojan el teorema de Euler [4] encontramos que: F(t) = Co + Σ(ancos(nwot) + bnsen(nwot)) Donde, an = 2 Re Cn bn = -2 Im Cn En estos términos quedan expresadas las amplitudes de cada una de las componentes de frecuencia de la señal objeto de estudio. [3] Se realizó la medición del espectro de frecuencia y su posterior análisis espectral. Este estudio arrojó como resultado, dentro de las componentes, las seis frecuencias predominantes en las tres fuentes de sonido caracterizadas. A partir de estos valores de frecuencia se procedió a caracterizar las propiedades electroacústicas del transductor, con las cuales se inicio el diseño y desarrollo del amplificador Se procedió a discriminar las señales caracterizadas por medio de filtros activos con AMP-OP utilizando filtros Butterworth [2], [9] Estos filtros se diseñaron de la siguiente forma: Para el filtro pasa bajas se selecciona una resistencia de 1K y se hallan los valores de los condensadores así: Cn=1/2(3.14)fcR Donde; fc=frecuencia de corte para el filtro deseado, R=valor de la resistencia seleccionada. Después de hallar cada uno de estos valores se multiplica por los valores de las constantes halladas

6 por Butterworth y Chevisheb [2] para de esta manera encontrar los valores de los condensadores para los filtros deseados. Esta misma técnica se utiliza para hallar los valores de los elementos para filtros pasa altas pero en lugar de seleccionar una resistencia, se selecciona un valor de condensador y se despejan los valores de las resistencias. Conectando estos dos filtros en cascada se construye un filtro pasa banda que fue el tipo de filtro utilizado en el desarrollo de este dispositivo. A continuación se muestra la respuesta característica en db [fig. 4] de los filtros utilizados para las señales a discriminar y el plano general de construcción de un filtro pasa bajas [fig. 2] y uno pasa altas [fig. 3], sabiendo que la conexión en serie de estos filtros tiene el comportamiento de un filtro pasabandas. Fig. 2. Filtro pasa bajas Fig. 3. Filtro pasa altas

7 1 DISCRIMINADOR DE SONIDOS TACTIL Y VISUAL Fig. 4. Análisis AC con datos reales del filtro para la componente de 1000 Hz. Luego de realizada la etapa de filtraje se obtiene unas tensiones de salida para cada uno de los filtros de acuerdo con la señal que ingresa al dispositivo por medio de la cápsula transmisora, estas tensiones de salida las utilizamos para establecer un código independiente para cada señal de entrada, logrando de esta manera entregar al microcontrolador una palabra en código binario, esta palabra es comparada con las palabras almacenadas en la memoria del micro si corresponde a una de las palabras de alguna de las tres señales de interés se produce una respuesta visual y vibratoria en los dispositivos de salida, lográndose la notificación del evento. B. Elemento Receptor El elemento receptor esta configurado como se muestra: Figura 5.- Unidad receptora portátil Las etapas del circuito del dispositivo portátil son: - Módulo receptor: recibe la señal RF proveniente de la estación base. - Microcontrolador: recibe la información digital que entrega el receptor. - Estimulador táctil: activador un motor que causa el efecto de vibración. - Estimulador visual: conjunto de tres LEDs que se encienden según el tipo de señal.

8 1 DISCRIMINADOR DE SONIDOS TACTIL Y VISUAL El modulo receptor esta constituido por una antena de longitud l/4 (l: longitud de onda), el demodulador ASK, el cual va a entregar al microcontrolador el código a través de la entrada serial. El microcontrolador decodifica la información [10] recibida y la compara con la palabra almacenada en su memoria, si esta palabra es correspondiente con una de las palabras determinadas para cada señal el microcontrolador entrega la tensión correspondiente a la interfaz de potencia, [11] para de esta forma entregar la respuesta vibratoria (táctil), a través de un motor DC [11] y visual al usuario de acuerdo con la señal identificada. CONCLUSIONES Las condiciones de diseño y operación de este proyecto le permiten un desarrollo de bajo costo, ya que emplea circuitos integrados y componentes de uso general y que tienen amplio comercio en el limitado mercado nacional. Este factor es determinante, dado que en una producción industrial permite un precio accesible a los usuarios discapacitados, que generalmente carecen de altos recursos económicos. Una segunda etapa del proyecto busca, para el futuro, el diseño, desarrollo y montaje de un prototipo que permita discriminar un amplio espectro de señales de audio, incluyendo señales de voz. En este caso se tomaría en cuenta el espectro lingüístico del dialecto colombiano. Para esta etapa se proyecta el desarrollo de filtros digitales, y la implementación de codigos tactiles. APÉNDICES Manual de mantenimiento Las limitaciones de este equipo son comparables con las de los aparatos comerciales, diferenciándose en el precio. Por este motivo, requiere de una instalación propia para cada ambiente residencial para obtener el mayor provecho y eficiencia de funcionamiento. Así mismo, el buen estado del equipo es recomendado para su óptima utilización. Esta información está disponible en el manual de mantenimiento del dispositivo. Manual de referencia Tanto la reparación como los ajustes internos son necesarios también para obtener los mejores resultados de este dispositivo; para tal fin, se elaboró el correspondiente manual de referencia, así como el diseño del equipo, la lista de componentes, y el código de programación para los microcontroladores.

9 1 DISCRIMINADOR DE SONIDOS TACTIL Y VISUAL BIBLIOGRAFÍA [1] esionales/sistemas%20de%20comunicaci%f3n.htm (2004/04/22) [2] Jr. C. Savant, Diseño Electronico: circuitos y sistemas Pearson Educación, 3ª. Ed.. [3] Douglas K. Linduer, Introducción a las señales ysistemas, cap. 7,8, Mc Graw Hill Interamericana, 2002 [4] Alan V. Oppenheim, Alan S. Willsky, Sistemas y Señales, Prentice Hall Hispanoamericana, 1998 [5] Edward W. Kamen, Introducción a Señales y Sistemas, Cap. 8,9,10 y 11 Compañia Editorial Continental, 1996 [6] Gabel Robert A., Richard A. Rberts, Señales y Sistemas Lineales, LIMUSA SA, 1994 [7] M. L. Meade, Señales y Sistemas. Modelos y comportamiento, cap. 7, 1993 [8] Watkinson, John, Audio Digital, Editorial Paraninfo, 1996 [9] Coughin Robert F., Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados lineales, cap. 10, 11, 14, Prentice Hall, 1999 [10] Angulo Usategui, Jose Maria, Microcontroladores (PIC). Diseño practico de aplicaciones, Mc Graw Hill,, 2000 [11] Rashid Mohammad, Electrónica de Potencia, Prentice Hall, 1995 [12] Gwyther, H. F. G., Potencia electrica y electrónica de potencia, Ediciones Alfaomega, 1993.