CARRO SEGUIDOR DE LUZ CON ALARMA DE PROXIMIDAD

Transcripción

1 LABORATORIO DE ELECTRONICA A PROYECTO CARRO SEGUIDOR DE LUZ CON ALARMA DE PROXIMIDAD INTEGRANTES: ERICK CONDE DAVID VALAREZO PROFESOR: ING. EFREN HERRERA

2 INDICE PAG. 1. INTRODUCCION 3 2. OBJETIVOS 3 3. ANALISIS TEORICO Funcionamiento del circuito cuando el fototransistor esta saturado Funcionamiento del circuito cuando el fototransistor esta abierto Funcionamiento del LM CALCULOS NUMERICOS DATOS EXPERIMENTALES CALCULO DE ERRORES SIMULACION TABLA DE COMPONENTES Y PRECIOS IMPRESO DEL PCB HOJA DE ESPECIFICACIONES DE COMPONENTES hoja de especificaciones del CNY hoja de especificaciones del comparador LM hoja de especificaciones del transistor 2N OBSERVACIONES RECOMENDACIONES CONCLUSIONES APLICACIONES 28 2

3 1.- INTRODUCCION Dentro de los sistemas mecatrónicos más interesantes se encuentran los robots, maquinas autónomas diseñadas para cumplir una tarea específica. Un carro seguidor de luz con alarma de proximidad, lo podríamos definir como la unión de varias tecnologías como lo son mecánica, sensores y electrónica, con la correcta implementación de cada una podemos obtener resultados sorprendentes. A continuación presentamos el diseño de este proyecto, el cual está basado principalmente en foto-resistencias, puertas lógicas AND, INVERSOR como también OPAMP y un circuito integrado L293D. El circuito funciona con 9 voltios, el cual va alimentar a los 2 motores y a la alarma. El circuito está diseñado de tal manera que al momento de recibir una señal luminosa sobre las foto-resistencias los motores de marcha hacia adelante, cuando una de las foto-resistencias no reciba luz el motor se apagará y la otra permanecerá activa, de esta manera podremos tener control libre del movimiento del carro. Cuando ningunas de las dos foto - resistencias reciba luz el motor dará marcha atrás y al momento de acercarse a un obstáculo se activara una alarma. El diseño de este circuito analógico - digital, es decir que el circuito se activa con una señal analógica el resto del mecanismo del circuito será digital, para ello usamos las puertas lógicas y el circuito integrado ya antes mencionadas. Aquello que nos permite que el carro valla para adelante-atrás, izquierda-derecha es el L293D cuyo funcionamiento es a base de una tabla de verdad. El funcionamiento del circuito de la alarma se basa en emitir una ráfaga de señales luminosas infrarrojas las cuales al rebotar contra un objeto que se encuentre entre la comunicación del receptor y transmisor provoca el encendido de un zumbador. El circuito integrado que se utiliza en este diseño es un 555 oscilador. Tanto el fotodiodo como el fototransistor deberán estar situados con unidades de enfoque adecuadas para mejorar el alcance. La alimentación de este circuito puede ser cualquier tensión comprendida entre 5 y 9 volts. 2.- OBJETIVO Diseñar el circuito eléctrico de un carro seguidor de luz con alarma de proximidad, basado en sensores (foto resistencias, diodo emisor y diodo receptor). Aplicar los conocimientos adquiridos en los cursos de electrónica para diseñar este circuito. Demostrar que un carro puede seguir una línea blanca, para así poder utilizarlo en un sin número de aplicaciones practicas 3

4 3.- ANALISIS TEORICO El circuito que se utilizó para la realización de este proyecto es el siguiente: DIAGRAMA DEL CARRO SEGUIDOR DE LUZ 4

5 5

6 DIAGRAMA DE LA ALARMA 6

7 DESCRIPCION DEL FUNCIONAMIENTO DEL CARRO Para activar el circuito habilitaremos el ENABLE con una señal luminosa permanente, cuando la señal luminosa este sobre las dos foto-resistencias el carro dará marcha hacia adelante, la sensibilidad al momento de receptar esta señal externa podrá ser modificada con un potenciómetro; mientras mayor resistencia presenta el potenciómetro mayor será el rango de sensibilidad de las foto-resistencias Para mejor interpretación del funcionamiento del carro, realizaremos una tabla de verdad donde: EN: Habilitador del circuito LDR1: Foto - Resistencia 1 LDR2: Foto - Resistencia 2 IN1: Terminal 1 del motor derecho IN2: Terminal 2 del motor derecho IN3: Terminal 1 del motor izquierdo IN4: Terminal 2 del motor izquierdo EN LDR1 LDR2 IN1 IN2 IN3 IN Mediante esta tabla podemos notar, cuando el ENABLE es un bajo es decir no hay presencia de una señal luminosa externa el circuito no se habilita, por lo tanto no interesa si LDR1 o LDR2 es un alto o un bajo, los motores no funcionaran 7

8 EN = 1 ; LDR1 = 0 ; LDR2 = 0 A la salida de R1.3 y R2.3 vemos un bajo por lo tanto un terminal de los motores tendrá polaridad negativa, es decir IN2=0, IN3=0. El otro terminal de los motores tendrá que ser un alto, es por eso que a la salida de R1.3 y R2.3 se colocó un INVERSOR de esta manera el otro terminal del motor será opuesto al otro, la puerta AND cumple la función de habilitar cualquiera de los dos motores depende de cual sea su salida. En este caso el carro se moverá hacia atrás, un detalle muy importante es que los dos motores tendrán que tener polaridades opuestas para que de esta manera valla en un solo sentido

9 EN = 1 ; LDR1 = 0 ; LDR2 = 1 A la salida de R1.3 vemos un bajo entonces IN1=0 el terminal de aquel motor tendrá polaridad negativa, a la salida de R2.3 vemos un alto por lo tanto IN4=1 el terminal de aquel motor tendrá polaridad positiva. La salida de la puerta AND que habilita a uno de los motores es un bajo, por lo tanto un terminal de los dos motores será polaridad negativa. De esta manera un motor va operar mientras que el otro no, por lo tanto el carro va a girar en una dirección, en nuestro caso será a la derecha

10 EN = 1 ; LDR1 = 1 ; LDR2 = 0 A la salida de R1.3 vemos un alto entonces IN1=1 el terminal de aquel motor tendrá polaridad positiva, a la salida de R2.3 vemos un bajo por lo tanto IN4=0 el terminal de aquel motor tendrá polaridad negativa. La salida de la puerta AND que habilita a uno de los motores es un bajo, por lo tanto un terminal de los dos motores será polaridad negativa. De esta manera un motor va operar mientras que el otro no, por lo tanto el carro va a girar en una dirección, en nuestro caso será a la izquierda

11 EN = 1 ; LDR1 = 1 ; LDR2 = 1 A la salida de R1.3 vemos un alto entonces IN1=1 el terminal de aquel motor tendrá polaridad positiva, a la salida de R2.3 vemos un alto por lo tanto IN4=1 el terminal de aquel motor tendrá polaridad positiva. La salida de la puerta AND que habilita a uno de los motores es un bajo, por lo tanto un terminal de los dos motores será polaridad negativa. De esta manera los dos motores van operar, en nuestro caso será moverá hacia adelante

12 DESCRIPCION DEL FUNCIONAMIENTO DE LA ALARMA El integrado U1 (N2N555) está en configuración Astable ya que están puenteadas el pin 2 y 6 y el pin 1 y 8 serán utilizados para la polarización del integrado. Este primer integrado es aquel que nos permite establecer la amplitud de la señal de salida que es una onda cuadrada con un tiempo de carga y descarga establecida por la red comprendida entre resistencias y capacitor. Aquel tiempo de carga y descarga establecerá la frecuencia con que emite la señal infrarroja el diodo emisor El integrado U2 (N2N555) está en configuración Monoestable ya que están puenteadas el pin 2 y 8, para su funcionamiento necesita polarización para ello usamos el pin 1 y 8 y también un flanco negativo en el pin 2. Este segundo integrado establecerá el tiempo que permanecerá prendido la alarma, en nuestro caso se colocó un switch de 3 vías, el cual nos permitirá conmutar con el sonido de la alarma ya sea con un tono continuo o un tono instantáneo. 12

13 El potenciómetro será aquel que nos permitirá variar la corriente que le llega al transistor Q1 el cual se encuentra en configuración emisor común con el transistor Q2, esto nos permitirá invertir la señal cuadrada que sale del integrado U1, podemos notar que entre el pin 3 y 7 no está presente ninguna resistencia, por lo tanto el capacitor se carga y se descarga instantáneamente, esto se traduce con en el circuito con un tono instantáneo de la alarma Como el capacitor se carga y se descarga instantáneamente, en el pin 3 la señal de salida será un pulso, esto se traduce en el circuito con un tono continuo de la alarma y durara el tiempo que permanece el pulso 13

14 4.- CALCULOS NUMERICOS PARA CARRO SEGUIDOR DE LUZ CON SEÑAL LUMINOSA Se cumple que: 14

15 SIN SEÑAL LUMINOSA Se cumple que: PARA ALARMA ANALIZAMOS EL N2N555 15

16 ( ) U1 y U2 actúan como comparadores, se cumple que: Partiendo de que: U1: S = 0 Vc=0 U2: R = 1 Q = 0 V3 = Vcc = 9V Entonces Q2 corte C1 se carga exponencialmente 16

17 U1: S = 0 Vc=3V U2: R = 0 Cambia de estado Q mantiene estado anterior V3 = 9V Entonces Q2 corte U1: C1 se sigue cargando exponencialmente Cambia de estado S = 1 Vc=3V U2: R = 0 Q = 1 V3 = 0V Entonces Q2 saturado C1 se descarga exponencialmente ANALIZANDO TIEMPO DE CARGA: ( ) ( ) ( )( ) ( ) ANALIZANDO TIEMPO DE DESCARGA ( ) ( )( ) ( ) 17

18 5.- DATOS EXPERIMENTALES Se midieron los siguientes valores en el circuito funcionando con una fuente de 9.01 V: Con Luz Sin luz Voltaje del motor 8.5 V 0V 6.- CALCULOS DE ERRORES Valores con los motores funcionando (foto-resistencia con luz) Teórico Experimental % Error Voltaje en motor 8.30 V 8.5 V 11.76% Valores con los motores apagados (fototransistor sin luz) Teórico Experimental % Error Voltaje en motor 0 V 0.0 V 0% 18

19 7.- SIMULACION 19

20 20

21 8.- TABLA DE COMPONENTES Y PRECIOS PARA CARRO SEGUIDOR DE LUZ COMPONENTES DESCRIPCION PRECIO $ RESISTENCIA R K Ω 0.05 RESISTENCIA R K Ω 0.05 RESISTENCIA R Ω 0.03 RESISTENCIA R Ω 0.05 RESISTENCIA R K Ω 0.05 RESISTENCIA R K Ω 0.05 RESISTENCIA R Ω 0.03 RESISTENCIA R Ω 0.05 RESISTENCIA R K Ω 0.05 RESISTENCIA R K Ω 0.05 RESISTENCIA R Ω 0.03 RESISTENCIA R Ω 0.05 POTENCIOMETRO RV1 50K Ω 0.50 POTENCIOMETRO RV2 50K Ω 0.50 POTENCIOMETRO RV3 10K Ω 0.50 FOTO-RESISTENCIA LDR1 10K Ω 0.45 FOTO-RESISTENCIA LDR2 10K Ω 0.45 FOTO-RESISTENCIA LDR3 10K Ω 0.45 INTEGRADO U1 LM INTEGRADO U2 LM INTEGRADO U3 LM DIODO D1 1N DIODO D2 1N DIODO D3 1N INTEGRADO U2:A 74LS INTEGRADO U3:A 74LS INTEGRADO L293D 0.50 FUENTE VCC BATERIA 9V 1.50 MOTOR M1 MOTOR DC 12V 0.80 MOTOR M2 MOTOR DC 12V 0.80 DIODO D2 DIODO 0.8 PLACA PCB

22 PARA ALARMA COMPONENTES DESCRIPCION PRECIO $ RESISTENCIA R1 100 Ω 0.03 RESISTENCIA R2 100 Ω 0.03 RESISTENCIA R3 330 Ω 0.03 RESISTENCIA R4 200 Ω 0.03 RESISTENCIA R5 100 Ω 0.03 RESISTENCIA R6 330 Ω 0.03 RESISTENCIA R7 330 Ω 0.03 RESISTENCIA R8 1K Ω 0.05 POTENCIOMETRO 10K Ω 0.50 DIODO INFRARROJO EMISOR 0.40 DIODO INFRARROJO RECEPTOR 0.40 CAPACITOR 1000 μf 0.12 ELECTROLITICO C1 CAPACITOR 0.1 μf 0.12 ELECTROLITICO C2 TRANSISTOR Q1 2N TRANSISTOR Q2 2N INTEGRADO U1 N2N INTEGRADO U2 N2N INTEGRADO 74LS PLACA PCB

23 9.- IMPRESO DEL PCB Lo primero que se necesita para hacer una placa de circuito impreso es un dibujo de las pistas para los elementos, esto se consigue con la ayuda de un computador y un software como PROTEUS. A continuación se muestra el circuito de las pistas. CIRCUITO DEL CARRO 23

24 CIRCUITO DE LA ALARMA 24

25 10.- HOJAS DE ESPECIFICACIONES DE COMPONETES. NE555 25

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30 2N

31 31

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33 33

34 74LS04 34

35 LD293D 35

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40 40

41 74LS08 41

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46 LM741 46

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55 11.- OBSERVACIONES. En internet se puede encontrar varios circuitos similares al que presentamos en este proyecto, pero se debe tomar en cuenta que no todos los circuitos están bien elaborados por lo cual se los debe revisar antes de implementarlo en el protoboard. El circuito electrónico puede resultar fácil elaborarlo, implementarlo en el protoboard y diseñar la placa PCB, lo complicado de esto es al momento de hacer la parte mecánica, es decir al momento de implementar la parte electrónica en la estructura del carro. El circuito tanto del motor 1, como el del motor 2 son idénticos, por eso basta con diseñar un solo circuito y en el otro se realiza lo mismo, tomar en cuenta que los motores deben girar contrario, es decir un motor debe girar con dirección a las manecillas del reloj y el otro en contra a las manecillas del reloj. Antes de implementar el diseño en el protoboard, es importante comprobar que cada elemento a utilizar este funcionando correctamente. Uno de los mayores retos fue ajustar la velocidad de los motores ya que los dos deben girar a la misma velocidad. Al momento de probar por primera vez el circuito los potenciómetros hicieron como una especie de corto y echaron llamas, pero después se normalizo RECOMENDACIONES. Tratar de conseguir los materiales específicos que se indican en el documento para armar el circuito, cambiar cualquier elemento puede hacer que varié mucho el circuito. Al momento de implementar el circuito en el protoboar, hacer bien las conexiones y antes de alimentar el circuito con la fuente DC revisar las conexiones. Al momento de diseñar la placa hacerla lo más compacta posible para que al momento de ubicarla en el carro no ocupe mucho espacio. Tener precaución al soldar, para no cortocircuitar ningún elemento. 55

56 Utilizar borneras, porque muchos elementos son sensibles al calor y al momento de soldar podemos dañarlos. Trate de la parte mecánica del proyecto realizarla con tiempo. Regular los potenciómetros según el lugar donde se encuentre, ya que según la luminosidad del lugar se debe regular los potenciomentros, el circuito funciona de mejor manera cuando es en un lugar oscuro ya que luces externas no afectarían al foto-resistencia. Cada vez que alimente compruebe que las corrientes no se sobrepasen a lo establecido. Revisar la hoja de datos de cada elemento para saber cómo deben ir conectados para que al momento de alimentar con la fuente de 9V no dañar nada CONCLUSIONES. Se logro el objetivo de diseñar el circuito para un carro seguidor de luz con alarma de proximidad, mediante la aplicación de los conocimientos adquiridos en las clases de electrónica. Se pudo observar en la alarma que mientras mas se aumenta el voltaje mayor alcance tiene la luz infrarroja de los diodos esto nos permite tener un mayor rango de proximidad APLICACIONES. Una de las aplicaciones que puede tener este proyecto es en la robótica, diseñando maquinas que sigan un patrón o una línea luz reflejada en el piso. Haciéndoles unos cambios como cambiar motores y fuentes, se puede lograr un objetivo mayor, como crear vehículos que se dirijan por si solos. Puede ser muy útil para transportar cosas de un lugar a otro, ya que como en la actualidad las personas no se alcanzan para hacer todo lo que deben hacer, resultaría muy útil ya que este carro se dirige por sí solo, solo se necesita un patrón a seguir. 56