SOMI XVIII Congreso de Instrumentación INSTRUMENTACION DIDACTICA RRM18118

Transcripción

1 LUZ COMO VUELAS! R. Ruvalcaba, J. Valdivia, O. Tinoco Dirección General de Divulgación de la Ciencia, Departamento de Ingeniería, UNAM Ciudad Universitaria, Delegación Coyoacán, C.P , México, D.F. RESUMEN El presente trabajo muestra el diseño y construcción de un equipo que permite mostrarle al público a través de sistema interactivo que la luz se propaga a una gran velocidad. Para lograr esto, el sistema establece la relación que existe entre la velocidad de la luz y la reacción del cuerpo humano al recibir un estímulo auditivo. ABSTRACT The present work shows to the design and development of an equipment that allows show to the public through to the interactive system that the light gets propagate to high speed. For to get this, the system to establish the relations to exist between the light speed and the reaction of the human body when receives a ear stimulus. OBJETIVO El objetivo de este proyecto es diseñar y desarrollar un equipo interactivo para el Museo de la Luz de la DGDC de la UNAM, que sirviera para mostrarle al público que visita éste museo que la luz se propaga a una velocidad altísima. FUNCIONAMIENTO DEL EQUIPO El equipo permite la competencia de reacción entre dos personas que al escuchar un estímulo auditivo, tratarán de detener el recorrido de la luz lo más pronto posible. Es un juego interactivo que presenta buena interacción Hombre-Máquina a través de una integración completa entre éste y el público. Esto se logró a través de un tablero de control que contiene tres botones, de los cuales uno de ellos funciona como botón de INICIO (RUN) y los otros dos como botones de REACCIÓN (STOP) (uno para el usuario A y el otro para el usuario B). También, cuenta con un tablero que contiene una ilustración con dos escalas visuales conformadas por dos columnas de 46 LED s cada una, las cuales indican las distancias y trayectorias de un par de haces de luz que parten desde la tierra y terminan en la luna. Para iniciar la interacción, se oprime el botón INICIO, luego los usuario esperarán unos segundos para que se produzca el estimulo auditivo el cual dará la secuencia de encendido de los LED s de cada columna que parten desde la tierra. Una vez iniciada la secuencia de luz en ambas columnas, cada uno de los participantes debe de detener la trayectoria de encendido de su respectiva columna oprimiendo su botón de REACCIÓN. Si los participantes detienen la trayectorias antes de que lleguen a la luna, significa que reaccionaron en menos de 1.28 s después de recibir el estímulo auditivo.

2 Entonces se podrán dar cuenta a que distancia estaría el haz de luz cuando reaccionaron al estímulo. Por otra parte, si las trayectorias del haz de luz llegaron a la luna, significa que los participantes reaccionaron al estímulo después de 1.28 s. Entones se podrán dar cuenta que la luz ya estaba en la luna cuando reaccionaron al estímulo. De esta manera, el público se puede dar cuenta de manera sencilla y clara que la luz se propaga a una velocidad altísima. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA El sistema está constituido por las siguientes etapas: Una de Control Dos de Acondicionamiento Dos de Despliegue Una de Audio Fuente de alimentación En la etapa de control, se lleva a cabo la interacción con el usuario a través de 3 interruptores momentáneos. En ésta, se generan 4 señales óptimas de control que requieren las demás etapas del sistema para el funcionamiento del equipo. Las etapas de acondicionamiento son idénticas y ambas reciben 2 señales generadas por la etapa de control. En cada una de ellas, se genera una señal con los niveles de voltaje requeridos para sus respectivas etapas de despliegue. Las etapas de despliegue también son idénticas y ambas reciben una señal generada por la etapa de control. En cada una de ellas, se tiene un sistema secuencial que se encargan de encender las columnas formadas por 46 LED s que representan las trayectorias de los haces de luz que empiezan en la tierra y terminan en la luna. La etapa de audio recibe una señal generada por la etapa de control, para que ésta proporcione el estímulo auditivo y provoque que el usuario reaccione y trate de detener la trayectoria de la luz antes de que llegue a la luna. La fuente de alimentación proporciona 3 voltajes diferentes que requiere el sistema para su operación.

3 El diagrama de bloques se muestra en la figura 1: L46 SISTEMA A L45 L44 D D 74LS D ( 1/2 ) STOP A RUN/STOP DAC CLR C 1-10 L3 C L2 L1 INICIO ( RUN ) SISTEMA B L46 L45 L44 ( 1/2 ) B B RUN/STOP DAC A 74LS08 3 CLR 1-10 L3 ( 1/2 ) L2 STOP B L1 A ( 1/2 ) RUN/STOP 8 C 74LS Title Size B Number DIAGRAMA DE BLOQUES Revision LUZ COMO VUELAS! ING. RUVALCABA A Date: 26-Sep-2003 Sheet of File: C:\Mis documentos\universum\museo luz\luz Drawn By: como de la vuela.ddb DISEÑO Figura 1. Diagrama de bloques Para el diseño del sistema, se tomaron en cuenta las siguientes condiciones: La distancia que existe entre la tierra y la luna que es de 385,000 Km. El tiempo que tarda la luz en recorrer esa distancia es de 1.28 s. Cada columna debe contener 46 LED s. Etapa de Control En ésta etapa se tienen 5 circuitos configurados como monoestables, 3 compuertas AND y 3 (tres) interruptores momentáneos. Los interruptores momentáneos tiene las siguientes funciones: Uno para dar inicio al sistema (RUN). Uno para el usuario A (STOP A), sirve para detener la trayectoria de la luz de su propia columna. Uno para el usuario B (STOP B), sirve para detener la trayectoria del la luz de su propia columna. Las compuertas AND, establecen la lógica de control que indica, tanto el inicio de operación del sistema, como el instante en el que deben de detenerse las trayectorias de los haces de luz de las columnas, cuando se activan cualquiera de los interruptores (RUN, STOP A, STOP B).

4 Los interruptores STOP A y STOP B, activan en forma independiente unos circuitos temporizadores que proporcionan un tiempo de salida de 1.1 s. El interruptor RUN, activa simultáneamente dos circuitos temporizadores, uno de ellos establece un tiempo de salida de 11 s., tiempo en el que es sistema esta activado, esto es, si después de cierto tiempo ninguno de los interruptores se vuelve a oprimir, el sistema se queda en reposo, hasta que se vuelva a oprimir el interruptor RUN. El otro temporizador establece el tiempo de espera para que de inicio la secuencia de encendido de los LED s de ambas columnas al momento que se escucha un sonido (estímulo auditivo), el tiempo de espera es de 5 s. (los usuarios no conocen este tiempo). Una vez transcurrido los 5 s, este temporizador activa a un tercer circuito temporizador, programado para que de un tiempo de salida de 1.28 s., que es el tiempo en el que la luz recorre la distancia que existe entre la tierra y la luna (385,000 Km.). En la figura 2 se muestra el diagrama de tiempo cuando de oprime el interruptor RUN. Figura 2. Diagrama de tiempos En la figura 3 se muestra el circuito esquemático de la etapa de control. Figura 3. Etapa de control

5 Etapa de Acondicionamiento Como se mencionó anteriormente, son 2 etapas de acondicionamiento idénticas, una para cada usuario. En cada etapa se tiene un circuito configurado como astable (oscilador), un contador binario, un convertidor D/A y un amplificador operacional. El oscilador se activa con la señal generada por el interruptor RUN y se desactiva con las señales generadas por cualquiera de los interruptores STOP A o STOP B. El oscilador se diseño para que generara un tren de pulsos con los siguientes características: Frecuencia de oscilación de Hz Ciclo de trabajo del 90% Amplitud de 5V P-P La frecuencia de oscilación se determinó como se indica en la ecuación 1: t propagación N.. LED 1.28s = 46 = ms LED f OSC = 35.94Hz Ecuación 1. Determinación de la f OSC La salida de este oscilador, funciona como estrada de reloj para el contador binario de 8 bits, el cual se encarga de proporcionar la entrada digital para el convertidor D/A. El contador está configurado como contador de subida y realiza una cuenta por cada pulso que recibe en su entrada de reloj. Para el intervalo de tiempo de 0 a 1.28 s., el contador establece 46 cuentas, que van desde ( ) 0 hasta ( ) 46. Una vez transcurridos los 11 s. después de haber oprimido el interruptor RUN, el contador recibe de la etapa de control la señal que le indica que debe limpiar las cuentas y poner la cuenta en Las salidas del contador, van directamente al circuito convertidor digital-analógico (DAC) el cual se encarga de generar un nivel de voltaje proporcional a la estrada digital. A la salida del DAC, se le puso un amplificador operacional configurado como amplificador inversor con ganancia variable. La relación de conversión la establece la ecuación 2. D0 D1 D2 D7 Vo = VREF L LL Ecuación 2. Ecuación de conversión D/A La tabla 1 muestra los resultados de la conversión del sistema.

6 PULSO CUENTA V Tabla 1. Relación de conversión con V REF = 12V La resolución del convertidor es de 47 mv. Con el amplificador operacional ajustamos la salida del convertidor a un nivel de voltaje que varíe desde (0) 0 hasta (5 V) 46. En la figura 4 se muestra el circuito esquemático de la etapa de acoplamiento. Etapa de despliegue Figura 4. Etapa de acoplamiento Como se mencionó anteriormente, son 2 etapas de despliegue idénticas, una para cada usuario. En cada etapa se tienen 5 controladores de LED s y 46 LED s. Para lograr la secuencia de encendido de los 46 LED s se conectaron en cascada los 5 controladores, cada controlador contiene 10 salidas, así, los 4 primeros utilizan todas sus salidas y el último solo utiliza 6, para tener un total de 46 LED s. Se ajusto este arreglo para que cuando se tengan 5 volts a la entrada se enciendan los 46 LED s. La resolución para este arreglo es de mv/led.

7 En la figura 5 se muestra el circuito esquemático de la etapa de despliegue. Etapa de Audio Figura 5. Etapa de despliegue La etapa de audio proporciona el estímulo auditivo cuando recibe la señal de la etapa de control, esto lo logra mediante un circuito configurado como astable (oscilador), el cual genera una señal con las siguientes características: Frecuencia de oscilación de 390 Hz Ciclo de trabajo del 90% Amplitud 5 V P-P En la figura 6 se muestra el circuito esquemático de la etapa de audio. Figura 6. Etapa de audio Fuente de alimentación La fuente de alimentación es la que se encarga de proporcionar los voltajes de polarización que requieren las etapas que conforman el sistema.

8 Se diseño una fuente regulada con 3 diferentes voltajes fijos de salida, las características de ésta son las siguientes: Alimentación: Hz Salidas: +12 V 3 A. -12 V 1 A. + 5 V 3 A. Fotografías de las etapas Las figuras 7 12 muestran los circuitos desarrollados para éste sistema. Figura 7. Fuente de alimentación + 5V Figura 8. Fuente de alimentación ± 12V Figura 9. Etapa de control Figura 10. Etapas de acondicionamiento y despliegue

9 Figura 11. Sistema completo equipo Figura 12. Montaje del sistema en el