MEDIDOR DIGITAL DE DISTANCIA DIGITAL DISTANCE METER

Transcripción

1 MEDIDOR DIGITAL DE DISTANCIA DIGITAL DISTANCE METER Alfonso P. Alejandro Banguera G. Luis ** Resumen: Este articulo muestra el desarrollo y la construcción de un prototipo capaz de tomar medidas de forma digital por medio de un sensor de ultrasonido el cual permite realizar mediciones de área y distancia de diversos elementos y presentar los datos de las mediciones en una pantalla grafica de fácil interacción con el usuario ya que el dispositivo cuenta con botones para su funcionamiento. El medidor digital de distancias desarrollado permite realizar mediciones de distancia en un rango máximo de 4m, al igual que el área maneja un rango máximo de 4m. El dispositivo se puede utilizar en diversos campos como en construcción, topografía, laboratorios de balística y la comunidad en general, el error que presenta es de aproximadamente 2% en mediciones superiores a 1,60m. La obtención de este dispositivo contribuye con el desarrollo a nivel tecnológico dentro del país ya que hasta el momento no hay ningún grupo o empresa nacional que se encargue de elaborar dispositivos digitales de medición para distancias, todos los que se encuentran en el mercado son importados y de alto costo. Palabras clave: Medida, Distancia, Ultrasonido, Área. estudiante de tecnología en electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Colombia). aalfonsop@correo.udistrital.edu.co cod: ** estudiante de tecnología en electrónica. Universidad Distrital Francisco José de Caldas (Colombia). lmbanguerag@correo.udistrital.edu.co cod:

2 Abstract: This article shows the development and construction of a prototype able to take action digitally via an ultrasonic sensor which allows measurements of area and distance of various elements and present measurement data in a graphical display Easy user interaction because the device has buttons for operation. The digital rangefinder developed allows distance measurements over a maximum range of 4m, like area manages a maximum range of 4m. The device can be used in various fields such as construction, surveying, ballistics laboratories and the community in general it presents the error is about 2% higher than 1.60 m in measurements. Obtaining this device contributes to the development in technology within the country and so far no group or national company responsible for developing digital device measuring distances, all found in the market is imported and high cost. Key Words: Meter distance, Ultrasonic, Area. 1. Introducción En la actualidad la electrónica ha jugado un papel muy importante en cuanto al desarrollo de nuevas tecnologías en diversos campos. En este caso la toma de medidas requiere ser cada vez más exacta ya sea en el campo de la construcción, la medicina, entre otros, para tener mejores resultados en las actividades a realizar. Por ello se diseñó e implementó un instrumento digital para medición de distancia. Partiendo de lo anterior se logró obtener un dispositivo electrónico capaz de realizar mediciones de distancias y de superficie (área) de varios elementos que pueden ser cuadrados, triangulares y/o circulares.

3 2. Marco teórico 2.1. Sensor de ultrasonido Este sensor es un detector de proximidad que trabaja libre de roces mecánicos y que detecta objetos a distancias que van desde pocos centímetros hasta varios metros. El sensor emite un sonido y mide el tiempo que la señal tarda en regresar. Estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, colores, superficies y de diferentes materiales. Los materiales pueden ser sólidos, líquidos o polvorientos, sin embargo han de ser deflectores de sonido. Los sensores trabajan según el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco. [1]. El HC-SR04 es un sensor ultrasónico de bajo costo que no sólo puede detectar si un objeto se presenta, como un sensor PIR (Passive Infrared Sensor), sino que también puede sentir y transmitir la distancia al objeto. Tienen dos transductores, básicamente, un altavoz y un micrófono. Ofrece una excelente detección sin contacto (remoto) con elevada precisión y lecturas estables en un formato fácil de usar. El funcionamiento no se ve afectado por la luz solar o el material negro como telémetros ópticos (aunque acústicamente materiales suaves como telas pueden ser difíciles de detectar). La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20 C) es de 343 m/s. (por cada grado centígrado que sube la temperatura, la velocidad del sonido aumenta en 0,6 m/s)

4 En la figura 1 se observa el prototipo del dispositivo HC-SR04 y en la tabla 1 las especificaciones del sensor. Figura 1. Sensor ultrasónico de distancias (HC-SR04). [1] Tabla1. Parámetros eléctricos del sensor.[1] 2.2. Microcontrolador El ATmega1280 es un chip micro-controlador creado por Atmel y pertenece a la serie megaavr, Es un microcontrolador de bajo consumo C-MOS de [8-bit] basado en una mejora del [AVR] de arquitectura RISC Por medio de la ejecución de poderosas instrucciones en un solo ciclo de reloj, el ATmega1280 logra rendimientos cercanos a 1 MIPS por MHz permitiendo al diseñador del sistema la optimización entre consumo de energía y velocidad de proceso. En la figura 2 se observa el prototipo del microcontrolador, en la tabla 2 se describen las características del microcontrolador. [2]

5 Figura 2. Microcontrolador ATmega1280. [2] Tabla 2. Parámetros eléctricos ATMEGA1280.[2] 2.3. Pantalla LCD grafica TFT Es una variante de pantalla de cristal líquido (LCD) que usa tecnología de transistor de película delgada (TFT) para mejorar su calidad de imagen. Las LCD de TFT son un tipo de LCD de matriz activa, aunque esto es generalmente sinónimo de LCD. Son usados en televisores, visualizadores de pantalla plana y proyectores.

6 En la figura 3 se observa el prototipo de la pantalla TFT LCD y en la tabla 3 se encuentran las características de dicha pantalla. [3] Figura 3.Pantalla TFT LCD TOUCH 2.4. [3] CARACTERISTICAS Tipo TFT Interfaz digital 8 bits (4 líneas de control) Panel de control táctil SPFD5408 (RAM de video) Voltaje de alimentación 5V (3.3V niveles lógicos) Corriente de funcionamiento 300mA Compartimiento microsd Colores 65K Driver ST7781 Pines digitales May-13 Pines analógicos 0-3 Pulgadas 2.4 pulgadas Resolución 240px X 320px Gama de colores 18 bits ( tonos) Tabla 3. Características de la pantalla.[3] 2.4. Tarjeta de desarrollo ARDUINO MEGA 2560 R3 Arduino es una plataforma física computacional open-hardware basada en una sencilla placa con entradas y salidas (E/S), analógicas y digitales, y en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje Processing/Wiring. Arduino puede utilizarse en el desarrollo de objetos interactivos autónomos o puede conectarse a un PC a través del puerto serie

7 utilizando lenguajes como Flash, Processing, MaxMSP, etc. Las posibilidades de realizar desarrollos basados en Arduino tienen como límite la imaginación. El Arduino Mega está basado en el microcontrolador ATMega2560. Tiene 54 pines de entradas/salidas digitales (14 de las cuales pueden ser utilizadas como salidas PWM), 16 entradas análogas, 4 UARTs (puertos serial por hardware), cristal oscilador de 16 MHz, conexión USB, Jack de alimentación, conector ICSP y botón de reset. Incorpora todo lo necesario para que el microcontrolador trabaje; simplemente conéctalo a tu PC por medio de un cable USB o con una fuente de alimentación externa. En la figura 4 se muestra el prototipo de la tarjeta de desarrollo ARDUINO MEGA. [4] Figura 4. ARDUINO MEGA 2560 R3. [4] 3. Desarrollo del proyecto En primera instancia se realizó el estado del arte para comprobar la existencia de un dispositivo con las características planteadas, este es un medidor digital de distancias y áreas que permite realizar mediciones en lugares de difícil acceso y permitirá visualizar los datos obtenidos en la medición por medio de una pantalla gráfica. Una vez comprobado que

8 no existen medidores de fabricación nacional se procedió a realizar el diseño del dispositivo, para continuar con la verificación del funcionamiento del dispositivo y la validación del mismo. En la figura 5 se presenta el diagrama de bloques de dispositivo implementado. Figura 5. Diagrama de bloques del medidor digital de distancia. BLOQUE 1: en este bloque se diseñó un menú con el cual el usuario pueda manipular el dispositivo de tal manera que puede seleccionar la función a realizar con el medidor usando los botones. El usuario podrá encontrar este menú en la pantalla principal del dispositivo al cual es fácil su acceso ya que se encuentra al encender el dispositivo. En este menú se encuentra las diferentes opciones a elegir como área, distancia y unidad en la cual desea realizar la medición como se muestra en la figura 6.

9 Figura 6. Menú de selección BLOQUE 2: En este bloque fue necesario acoplar el dispositivo HC-SR04 a la tarjeta de desarrollo mediante sus puertos de conexión. Según las características técnicas este dispositivo funciona como un sensor de ultrasonido, el cual trabaja a 5v DC, maneja una corriente menor a 2 ma su ángulo de cobertura es de 0 15, el rango de medición va de 2cm 400cm. Este dispositivo cuenta con 4 pines de conexión (vcc, Trig, Eco, GND). Para realizar la medición fue necesario suministrar un pulso de 10useg por el pin de nominado Trig, luego de esto el dispositivo empezar a generar pulsos 40KHz para realizar la localización. Al momento de detectar la distancia se envía un pulso del doble de la distancia al pin denominado Eco, ya que es la medición de ida y vuelta de la onda ultrasónica. Como se muestra en la figura 7 y en la figura 8.

10 Figura 7.Funcionamiento de sensor ultrasónico. [5] Figura 8. Acople del sensor y tarjeta de desarrollo. BLOQUE 3: Este bloque que fue denominado como bloque de control consta principalmente de un microcontrolador tipo ATMEL MEGA 1280 que viene incorporado en la tarjeta de desarrollo ARDUINO MEGA 2560 R3, la cual fue de gran ayuda a la hora de programar cada una de las funciones del dispositivo, funciones indispensables para el buen funcionamiento en el momento de tomar la medición. En este punto fue necesario implementar la lógica de programación y algunos conocimientos básicos de matemáticas para realizar el programa necesario para el funcionamiento del dispositivo. Inicialmente se logró hacer la lectura del sensor ultrasónico para obtener el valor numérico de la distancia medida en centímetros (cm), partiendo de este valor obtenido lo siguiente fue usar ese resultado como base de las siguientes funciones requeridas por el dispositivo como fueron hallar el área de varios elementos bien sean cuadrados, triangulares y/o circulares. La siguiente función a

11 realizar fue la conversión de unidades de medida ya que el valor inicialmente obtenido es presentado en centímetros y es importante que el dispositivo manejara varias unidas de medida para eso se incluyó una función en la cual el dispositivo presenta los valores en metros (m), pulgadas (pulg), pies (ft) y/o yardas. Todas estas funciones son realizadas por medio del microcontrolador como una de las partes fundamentales del dispositivo como se muestra en la figura 9. Figura 9. Vista de funciones del medidor digital de distancia BLOQUE 4: Este es el bloque de visualización en el cual se implementó una pantalla TFT LCD de 2.4 grafica para la muestra del resultado de las mediciones realizadas, de igual manera permite visualizar el menú de selección (distancia, área de círculos, rectángulos y triángulos). Para poder visualizar los resultados en la pantalla fue necesario programar el microcontrolador de tal forma que al recibir los datos enviados por el sensor de ultrasonido la tarjeta desarrollo los procese y los envié a la pantalla y así poder obtenerlos de manera visual, La interacción del usuario con el dispositivo se hace

12 mediante el accionamiento de los botones que permiten elegir la función que desea utilizar, como se muestra en la figura 10. Figura 10. Conexión y visualización pantalla TFT gráfica. 3. Resultados Como resultado se obtuvo un dispositivo capaz de medir distancias en un rango de 3cm a 400cm (4m). Con el fin de comprobar el error en el rango de medición del dispositivo fue necesario realizar varias pruebas usando el dispositivo y una cinta métrica como patrón de comprobación, además de eso se tuvo en cuenta la variación de la medida cada 20 cm para obtener el promedio, el error absoluto, error relativo y el error porcentual como se muestra en la tabla 4.

13 Tabla 4. Resultados de prueba del dispositivo Con base en la información anterior se logró obtener las especificaciones técnicas del dispositivo MEDIDOR DIGITAL DE DISTANCIA como se muestra en la tabla 5, en la figura 11 se observa el prototipo del medidor. Tabla 5. Especificaciones técnicas del dispositivo.

14 4. Conclusiones Figura 11. Prototipo MEDIDOR DIGITAL DE DISTANCIA. Todo objeto tiene un nivel de absorción. Este sensor ultrasónico es capaz de medir distancia de hasta cuatro metros (4m), pero contando con objetos con muy poco nivel de absorción. La ropa, por ejemplo, no se mide bien después de los dos metros y medio (2.5m), pero una caja de cartón si puede ser medida fácilmente a esta distancia. Al ubicar el sensor es importante colocarlo sobre una superficie estable, de lo contrario al medir la distancia relativa a un objeto, puede equivocarse.

15 Después de estudiar sobre el sensor ultrasónico HC-SR04, podemos concluir que es sumamente importante tener una hoja de datos (datasheet) para saber cuál es su comportamiento, y como se conecta. Finalmente se logró cumplir con los objetivos planteados obteniendo un dispositivo practico como herramienta útil de medición

16 Referencias [1]. Ultrasonic Ranging Module HC - SR04, [en línea] Último acceso 01/04/2016 Disponible en: [2]. ATmega 1280, [en línea] Último acceso 01/04/2016 Disponible en: [3]. TFT LCD Touch 2.4 Shield para Arduino UNO, [en línea] Ultimo acceso 01/04/2016 Disponible en: [4]. Arduino mega 2560, [en línea] Último acceso 01/04/2016 Disponible en: [5]. Imagen, [en línea] Último acceso 01/04/2016 Disponible en: