CONTADOR DE OBJETOS SENSADO POR DIODO LASER

Autora: Vissani, Carolina Soledad Contacto: carovissani@hotmail.comDirección: Av. universidad N º 170 - Dpto. N º 7. Tel.:03472-457890 Cátedra: Técnicas Digitales II, Ing. Electrónica, Facultad Regional Villa María, U.T.N.

Resumen

El proyecto es creado con el fin de satisfacer necesidades, tales como la de contar cualquier tipo de objetos (que estén dentro del rango especificado), además de enriquecer, ampliar e inves-tigar a cerca de los temas que su desarrollo involucra. Los contenidos que éste abarca son:

óptica física: se profundizará sobre los fenómenos de refracción y reflexión.

componentes electrónicos: se estudiarán los dispositivos electrónicos capaces de realizar la detección de la señal.

El sistema básicamente consta de dos espejos enfrentados montados sobre una base, en el extremo inferior esta ubicado el diodo láser y en el extremo superior del segundo espejo el detec-tor. El haz de luz monocromática incide en el espejo y rebota hasta llegar al receptor en aproxima-damente diez reflexiones. De esta forma se asegura que cualquier objeto sin importar su forma, interrumpa el haz. El contador emplea circuitos integrados y los números se visualizan en diodos electroluminiscentes (LED) de siete segmentos. El campo de aplicación de este dispositivo es muy amplio, ya que no depende de la pieza a contar, por lo tanto puede ser implementado en cualquier fábrica o lugar que se lo requiera.

Objetivos Adquirir conocimientos a cerca de los temas que este desarrollo abarca, como así también

la implementación de los mismos.

Satisfacer la necesidad de contar cualquier objeto, sin importar su forma.

Desarrollo La investigación comienza con la búsqueda de un sistema capaz de detectar la presencia

del objeto. Primeramente, se utilizaron quince pares de diodos infrarrojos (emisor-receptor). Los emisores se montaron sobre una base de madera que tenía agujeros de 5mm, formando una hile-ra vertical, es decir una barrera de infrarrojos y los receptores se colocaron de igual forma enfren-tando a los primeros, ambas columnas separadas a una distancia de 30cm. El problema de este sistema era que el haz divergía, es decir, debido a la proximidad de los dispositivos, un emisor alimentaba dos receptores y por lo tanto el sistema no contaba correctamente. Consecuentemen-te, se implementó el láser como dispositivo emisor ya que debido a sus características el haz prác-ticamente no diverge y es percibido por el receptor.

La diferencia principal de este contador de objetos comparado con otros, es la capacidad que posee de contar cualquier pieza sin importar su forma. El umbral mínimo de detección de una pieza que atraviesa el haz láser es de 4 mm. Esto está dado por el diámetro de haz láser (D) utili-zado y la separación entre haces consecutivos (X). El haz utilizado posee un diámetro de D = 3 mm y la mínima separación entre los mismos es de X = 4 mm. En la figura no hay proporción en-tre el haz (3mm) y la separación (4mm), debido a que se realizó de esta forma para mayor clari-dad del esquema. Ver Fig.1.

X

D

Fig.1 Esquema de la reflexión del haz en los espejos.

El ancho máximo depende de la base, la cual puede ser ampliada si se lo requiere. Si se observa la Fig. 2, vemos que el sistema posee dos espejos enfrentados (5cmx10cm) separados una distancia de 50cm montados sobre una base. En el extremo inferior de un espejo esta ubica-do el diodo láser y en el extremo superior del segundo espejo el detector. La base se mueve para calibrar la posición del haz y así obtener aproximadamente diez reflexiones. De esta forma se asegura que cualquier objeto sin importar su forma, interrumpa el haz. [5]

Fig.2 Soporte del sistema

Para lograr las reflexiones del haz, el soporte permite la calibración de los espejos logran-do así el movimiento en el eje azimut (B) y elevación(A). Como se observa en la Fig.2 las flechas A y B indican la parte que se mueve mediante el ajuste de un tornillo.

Reflexión de las ondas

La reflexión es el cambio en la dirección de un rayo de luz cuando este no logra traspasar la interfaz entre dos medios.

Se trata de un fenómeno característico de la propagación por ondas, que se produce cuando un rayo choca contra una superficie formando un ángulo con la normal, llamado ángulo de incidencia, y es rechazado en una dirección dada por el ángulo de reflexión.

El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal a la superficie pertenecen al mismo plano. En caso de que el rayo incida perpendicularmente es reflejado en la misma dirección de inciden-cia.

El fenómeno de la reflexión ocurre con la luz visible, con las ondas sonoras, con las mi-croondas, con los rayos X, etc., pero las modalidades con las que se manifiestan son diferentes al variar la longitud de onda de la radiación incidente. Ver Fig.3

Fig.3 Fenómeno de reflexión

Refracción La refracción es el fenómeno que se presenta en un rayo sonoro o luminoso cuando incide

oblicuamente sobre la superficie de separación de dos medios, y en virtud del cual el rayo cambia de dirección y velocidad.

Cuando un rayo luminoso incide sobre la superficie que separa dos medios, por ejemplo el aire y el agua, parte de la luz incidente se refleja, mientras que la otra parte se refracta y penetra en el segundo medio. Aunque el fenómeno de la refracción se aplica fundamentalmente a las on-das luminosas los conceptos son aplicables a cualquier onda incluyendo las ondas electromagné-ticas.

Se cumplen entonces las leyes deducidas por Huygens que rigen todo el movimiento ondu-latorio:

• El rayo incidente, el reflejado y el refractado se encuentran en el mismo plano.

• Los ángulos de incidencia y reflexión son iguales, entendiendo por tales los que forman respectivamente el rayo incidente y el reflejado con la perpendicular a la superficie de se-paración trazada en el punto de incidencia.

La velocidad de la luz depende del medio que atraviese, por lo que es más lenta cuanto más denso sea el material y viceversa. Por ello, cuando la luz pasa de un medio menos denso (aire) a otro más denso (cristal), el rayo de luz es refractado acercándose a la normal y por tanto, el ángulo de refracción será más pequeño que el ángulo de incidencia.

Es importante conocer estos fenómenos ópticos, ya que el haz del láser los experimenta al reflejarse y refractarse en los espejos. Por lo expuesto anteriormente, la refracción provoca una disminución de la intensidad del haz, no obstante la pérdida de potencia es poca y la detección se realiza correctamente.

Diagrama en bloques del contador universal de objetos

Fig.4 Diagrama de bloques

El bloque emisor esta constituido por un diodo láser. Se eligió este dispositivo porque emite un haz de luz coherente lo que significa que todas las ondas luminosas están en fase entre sí. La idea básica de un diodo láser consiste en usar una cámara resonante con espejos que refuerza la emisión de ondas luminosas a la mínima frecuencia y fase. A causa de esta resonancia, un diodo láser produce un haz de luz estrecho que es muy intenso, enfocado y puro. Por lo tanto, se pue-den lograr varias reflexiones en los espejos y ser detectada en el otro extremo. Los espejos son reales consecuentemente se produce el efecto de la refracción, la cual disminuye la intensidad del haz, no obstante el fotodiodo detecta la presencia del haz. [1] [5]

El bloque detector esta compuesto por un fotodiodo, el cual varía la corriente en función de la intensidad luminosa. Si el haz es interrumpido y no llega al receptor, el dispositivo se comporta como una llave abierta y cuando incide la luz, como una llave cerrada. El fotodiodo utilizado es el BPW34, el rango de sensibilidad abarca desde los 400nm hasta los 1100nm, por lo tanto la longi-tud de onda del láser (650nm) es detectada.

El comparador es unos circuitos integrados que compara dos tensiones, una es fija y se la denomina “tensión de referencia” y la otra es variable (tensión en el fotodiodo). De acuerdo si una es mayor que la otra en la salida obtenemos un cero o uno. El integrado utilizado es el LM311. [2]

El circuito “monoestable” o “one shot” normalmente está en un estado estable, con su sali-da Q en el nivel bajo, en el cual puede permanecer indefinidamente, a menos que cambie de nivel una entrada denominada “de disparo”, lo cual hace que Q pase transitoriamente al nivel alto (es-tado “quasi estable”) durante un tiempo prefijable, luego del cual siempre retorna al estado con Q=0 sin que sea necesario activar o desactivar ninguna entrada. Este circuito controla que solo un pulso llegue al contador, porque si hay oscilaciones de tensión en bornes del fotodiodo el contador las detecta contando en forma errónea. El integrado utilizado es el 555. [4]

El bloque contador es el encargado de contar los pulsos provenientes del circuito monoes-table. El integrado implementado para tal fin es el CD4510. Este dispositivo cuenta en BCD en forma progresiva o regresiva, según se lo requiera. Las salidas del contador se conectan con un excitador/decodificador/cerrojo BCD a 7 segmentos denominado CD4511, el cual decodifica el lenguaje BCD para comandar los displays de 7 segmentos que constituyen el bloque de visualiza-ción de la información. [4]

Las hojas de datos de todos los componentes se obtuvieron en la página web [2]. Para desarrollar dichos circuitos se utilizaron los contenidos tratados en las materias de la carrera de Ing. electrónica, tales como técnicas digitales I, técnicas digitales II y dispositivos electrónicos.

Cuestiones prácticas Durante el armado del circuito se presentaron dificultades, tales como ruido en los integra-

dos que provocaban un mal funcionamiento de los mismos. Este problema se soluciono colocando capacitores entre la alimentación y masa. Con respecto al contador, este contaba de forma erró-nea debido a la cantidad de pulsos provenientes del comparador, el cual a la entrada del mismo acusaba las variaciones de tensión del fotodiodo cada vez que se interrumpía el haz, es decir os-cilaba. Por lo tanto se agrego el circuito monoestable después del comparador, que ante el primer pulso pasa al estado alto e ignora las variaciones, logrando un correcto conteo de las piezas.

Conclusiones Los objetivos propuestos fueron alcanzados, es decir se adquirieron conocimientos a cerca

de los temas que este desarrollo abarca, como así también la implementación de los mismos. Además, se logró el objetivo más relevante del proyecto, satisfacer la necesidad de contar cual-quier objeto, sin importar su forma mediante la utilización del diodo láser. Utilizar este dispositivo y no los que se usan convencionalmente (diodos infrarrojos) permitió obtener una barrera de haces que es interrumpida cuando la atraviesa un objeto de cualquier forma, ya que si solo se usara un haz y la pieza tuviera agujeros, este haz se interrumpiría dos veces y por lo tanto conta-ría dos objetos.

Una ventaja que merece destacar, es el amplio campo de aplicación de este dispositivo, ya que no depende de la pieza a contar, por lo tanto puede ser implementado en cualquier fábrica o lugar que se lo requiera. El proyecto se pretende implementar en una fábrica de plásticos de la ciudad de Marcos Juárez, la cuál posee una gran variedad de piezas.

Trabajo a futuro

Se pretende mejorar este diseño utilizando un microcontrolador, el cuál remplazara a los integrados. Este dispositivo contiene toda la estructura de un microcomputador, es decir, circuitos lógicos, memorias, unidad aritmética/lógica, contadores, conversores analógico/digital, etc. Aloja-do en una única pastilla semiconductora, no es más que un circuito integrado fabricado con una gran escala de integración. Posee partes separadas interconectadas entre sí.

Es un dispositivo que provoca una determinada información (datos) y que puede obtener resultados visibles. En términos generales su funcionalidad radica en que posee una lógica cono-cida que mediante un programa se traduce en determinados efectos pudiendo ser modificado por un cambio en sus entradas. Son pocos los componentes electrónicos externos que se necesitan para hacer funcionar este dispositivo. Además el precio es bajo y poco consumo de energía. [6]

Agradecimientos Expreso mi agradecimiento a los compañeros de aula, al profesor de Técnicas Digitales y a

todas las personas que me apoyaron para la realización del proyecto.

Referencias

[1] Principios de electrónica, Malvino-Mc Graw Hill, Sexta edición, Argentina, 1997.

[2] www.alldatasheet.com

3]Electrónica: Teoría de Circ. y Disp. Electrónicos, Boylestad Nashelsky-Pearson. Octava Edición, México, 2003.

[4] Técnicas Digitales con Circuitos Integrados, M. C. Ginzburg –Biblioteca Técnica Superior, octa-va edición, Argentina, 1998.

[5] Fundamentos de Física, versión ampliada, R. Resnik –R. Halliday, Editorial Continental, Méxi-co, 1983.

[6] Teoría y Diseños con microcontroladores, Antonio Tafanera, Inca Editorial, primera edición, Mendoza, 2004.

[7] Física II, Serway Jewet, Ed. Thomson, tercera edición, España, 2003.