Proyecto, sensor para discapacitados
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
I. INTRODUCCION
Debido a que en la actualidad en la población mundial se han acrecentado los casos de invidencia en personas de todas razas y culturas, es necesario desarrollar instrumentos que ayuden a estas personas a adaptase a un ambiente que no está pensado para ellos limitándolos en sus funciones drásticamente.
La automatización, la electrónica, han jugado un papel muy importante en el desarrollo de varios productos para gente que posee alguna falencia, ya que actualmente se hacen mejoras en aparatos para terapias en alguna extremidad en particular, en el reemplazo parcial o total de algún miembro o parte del cuerpo humano, también en el desarrollo de máquinas y dispositivos para mejorar la calidad de vida de dichos pacientes.
Es por eso que se crean nuevas tecnologías al alcance para que la sociedad tenga un mejor desarrollo en su vida cotidiana este proyecto se hizo pensando en todo tipo de discapacidad y para esto se seguirá un cierto tipo de pasos para la construcción de este prototipo, aplicando conocimientos y promoviendo el desarrollo de otros tipos de proyecto, implementación contara de 2 procesos de su parte física es decir el hardware y su parte lógica o programable el software, todo totalmente libre para que pueda ser usado y mejorado.
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
II. Justificación de la investigación
A. Formulación del problema.
A pesar del desarrollo economico, aun dejamos de lado algunas
responsabilidades sociales con personas que tienen algun
impedimento fisico, entonces nosotros nos vemos en la obligacion
de crear algo que ayude a las personas que tienen esta
incapacidad y darles una mejor calidad de vida, y su
desenvolvimiento en la sociedad ea mejor para su condicion. Y
además tenga usos para la automatizacion de empresas y ayuda
en general a la socociedad.
B. Evaluación del problema
Teniendo en cuenta el problema se crea la mejor solución, es
decir crear un dispositivo que sea de bajo costo y al ponerlo en
práctica tampoco genere gastos, y además que ahorre tiempo y
se vean beneficiados gran parte de la población, y de mayor
consideración las personas incapacitadas entonces al construir
este dispositivo que funcione mediante sensores de proximidad
utilizando componentes básicos de la electrónica y que no genere
muchos costos, y a la vez profundizar en el estudio y en el
desarrollo tecnológico, despertando la creatividad e imaginación
de los alumnos que cursan este especialidad, además de conocer
más sobre la robótica básica para poder aplicarla para el
beneficio de algún sector de la población; así como las antes
mencionada.
C. Análisis y diagnóstico del problemaEl problema la poca preocupación por los minusválidos, esta
solución corto y largo plazo, ya que cada silla de ruedas tiene que
ser automatizada asi como los cualquier aparato ortopedico, pero
este proyecto es la demostración a pequeña escala, entonces
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
para este proyecto se necesita una serie de instrumentos
electrónicos que tienen bajo costo, son muy accesibles y que no
tienen mayor problema de ensamblaje; ya que en varias páginas
WEB existe mucha información sobre ello, a gran escala solo
cambiaría el monto de la inversión, una gran transformación de la
red vehicular y social.
Y los proyectos en empresas ya estan en curso, es decir, ya lo
tienen o estan en proceso de tener este sistema, ya que por una
baja inversión se puede tener sistema de transporte eficiente que
genere más producción y en poco tiempo.
D. Beneficios del proyecto
La población en general se vería beneficiadaya que la
desigualdad, la integracion de las personas discapacitadas a la
sociedad, sin peligro de algun infortunio en su camino, y tal vez
sea para la automatizacion de empresas ya que los sensores o el
dispositvo que hacemos con este tipo de sensores tienen
diferentes tipos de aplicaciones ya sea en empresas y vida en
comun, como la automatizacion de alarmas en la casa con
sensores ya sean de ruido,proximidad o movimiento.
En general este proyecto es una parte de las tantas aplicaciones,
y la tecnologia bien utilizada siempre sera de gran ayuda en la
sociedad.
III. OBJETIVOS
A. Objetivo general
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Diseñar y construir un dispositivo electrónico para la
detección de obstáculos como ayuda a personas con
discapacidad visual
B. Objetivos específicos
Determinar las características mínimas que debe cumplir el
dispositivo electrónico que servirá de plataforma y con base
en esto elegir cuál se utilizará buscando minimizar costos y
que haya disponibilidad en el mercado.
Hacer el desarrollo electrónico para la recepción y
tratamiento de las señales emitidas por los sensores.
Implementar el sistema de comunicación para el envío y
recepción de señales entre los sensores, la cámara y las
salidas de audio con el dispositivo electrónico programable.
Construir un prototipo funcional que me permita realizar
pruebas experimentales.
IV. HIPÓTESIS
Este tipo de prototipos están basados primordialmente en la
utilización de nuevas tecnologías que pueden ser adaptadas para el
beneficio de la humanidad a través de la creación de dispositivos que
le permitan a una persona con discapacidad visual recuperar en
alguna forma ese sentido. En la actualidad existen todo tipo de
mecanismos electrónicos que permiten obtener o percibir el ambiente
y a su vez percibir este tipo de ambiente de una forma extrasensorial.
El prototipo a realizar, se basa en la sinergia de dos tecnologías, por
medio de las cuales se realiza un registro del entorno. Una es la
ultrasónica, que utiliza un sistema de retroalimentación perfeccionado
por los murciélagos desde tiempos inmemorables estos emiten una
serie de chillidos que rebotan en el entorno y regresan hacia ellos
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
captando las variaciones de este con sus orejas. De la misma forma
un sensor de ultrasonido emite y percibe superficies por medio de un
sonar que emite frecuencias de sonido altas, hasta 20Khz por encima
del rango auditivo del ser humano, el cual es enviado hacia el
entorno de manera que al encontrarse con algún obstáculo, la onda
sonora rebote y sea captada nuevamente por un elemento receptor
que recoge la información y da una señal de salida dependiendo del
tiempo que tome en regresar dicha onda. Con lo cual, se puede
determinar la distancia y el tamaño de dicho obstáculo, este tipo de
sensores es muy utilizado para registrar magnitudes físicas en un
entorno donde se requiera la no invasión de un espacio.
La otra se basa en la captación de imágenes a través de una cámara
por el método tradicional de captura de fotones de luz por medio de
una red de sensores sensibles a esta, Una cámara de video digital
captura, convierte y permite almacenar imágenes estáticas o en
movimiento. Existe una inmensa gama de éstas, desde los sistemas
profesionales hasta los domésticos, Una videocámara es como un
ojo humano su primer componente son las lentes, por donde
ingresan las imágenes en forma de luz. Mientras más puro sea el
material con el que se elaboran, habrá menos defectos cromáticos y
la calidad será mucho mejor Al ingresar a las lentes, la luz se
descompone en colores primarios: rojo, verde y azul, que son
captados mediante un sistema denominado CCD (Charge-Coupled
Device, dispositivo de cargas eléctricas interconectadas), un circuito
integrado que reemplazó a la tecnología de bulbos. Las cámaras de
video pueden usar uno o tres CCD, si se quiere una mejor calidad. La
energía luminosa de cada color se transforma en energía eléctrica, y
luego se digitaliza en algún medio de almacenamiento, como pueden
ser cintas, DVD o memorias de estado sólido.
La información recopilada luego es tratada como un conjunto de
instrucciones y datos codificados mediante lenguajes de
programación como Java y C++ para que puedan ser leídas e
interpretadas por una hardware, este tipo de tratamiento se
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
denomina software de reconocimiento de imágenes el cual se enfoca
en percibir cambios de luz determinando así la presencia de algún
objeto, la distancia a la que se encuentra, su geometría dimensiones,
entre otras características.
El tratamiento de estas señales está orientado para obtener una
respuesta con base en lo que se percibe. Este proceso, se lleva a
cabo con la utilización de un microcontrolador que es programado
utilizando redes de Petri y lógica difusa, entre otros.
La salida obtenida debe estar dirigida a un emisor de señales
sonoras por medio de parlantes o transductor que es un dispositivo
que transforma un tipo de energía en otro. Un parlante (o altavoz) de
bobina móvil es un transductor electro¬mecánico, que transforma
energía eléctrica contenida en una corriente eléctrica, en energía
sonora, Específicamente un parlante sirve para convertir la
información (voz, música, sonidos en general) transportada por una
señal eléctrica, en una señal audible para el ser humano (entre 20-30
Hz y 16-20 Khz aproximadamente) el voltaje de salida del
amplificador de un equipo tiene las variaciones del sonido que se
quiere reproducir. Si se conecta la salida del amplificador a la bobina
móvil, circula una corriente con las variaciones correspondientes al
sonido. Debido a un principio básico de la Naturaleza (Ley de
Ampére, una de las 4 leyes del Electromagnetismo), la corriente en la
bobina genera un campo magnético con las variaciones de la señal
de interés.
Si la bobina móvil está inmersa en una región con campo magnético,
existirán fuerzas atractivas y repulsivas entre la bobina y el imán,
debidas al campo variable de la bobina y al campo estático del imán.
Si el imán está fijo, estas fuerzas producirán el movimiento de la
parte móvil, la bobina. La forma de obtener una señal acústica de
esto, es entonces adherir a la bobina un cono que mueva el aire que
le rodea.
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V. MARCO TEÓRICO
A. Bases teóricas
Sensores
Sensor de proximidad infrarrojo
Los sensores de proximidad infrarrojos, son de tipo ópticos por lo
cual no implica contacto directo con el objeto a censar, lo
constituyen un par de LEDS los cuales se denominan fotodiodo y
fototransistor su principio de funcionamiento es el mismo de todos
los sensores, un LED emite y el otro recibe la señal que rebota en
un obstáculo son de un precio accesible y son altamente
confiables para medición en recintos cerrados pero en el exterior
el sol u otro elemento que emita luz infrarroja puede alterar su
comportamiento y por ende su medición además de necesitar un
circuito aparte para poder interpretar las señales que el sensor
envía son pequeños y portables pero para el proyecto no es
idóneo pues la idea es utilizar el dispositivo en una área abierta y
no solo en interiores.
Sensor Fotoeléctrico
Este tipo de sensores son conformados, como todos por un
emisor de luz visible que puede ser de varios colores dentro de
los cuales los más comunes son el rojo, el amarillo y el verde y un
receptor o detector que recibe la luz emitida con una intensidad
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
de acuerdo a la distancia a la que se encuentre el objeto a censar
Se puede decir que es una variante del sensor infrarrojo. Dentro
de sus virtudes se encuentra que se pueden utilizar para
comparar formas y colores en un objeto. Son de precio alto; muy
utilizados en las industrias, son robustos en su construcción y
confiables, dentro de sus desventajas se encuentra que son solo
para interiores, su distancia de detección es corta y son muy
sensibles a los efectos de la luz directa, razones por las cuales no
son buenos candidatos para el proyecto pues se necesitaría un
sensor bastante grande para que satisfaga las necesidades de
dicho proyecto que conllevaría a altos costos.
Sensor láser
Este tipo de sensores funciona reflejando un haz de luz láser el
cual luego es reflejado por el objeto y es recogido por un foto
detector en un determinado Angulo que varía de acuerdo a la
distancia del objeto. Existen dos tipos de sensores uno de largo
alcance y el otro de corto alcance el más indicado para el
proyecto es el sensor de corta distancia por ser el más barato,
tienen un rango de entre 2mm y 500mm además de ser el más
accesible; este tipo de sensores se especializa en la medición de
distancias, son de un tamaño grande y costosos,
extremadamente costosos, por todo esto y su bajo rango de
medición no se tuvo en cuenta para este proyecto, aunque su
principio de funcionamiento es la base para desarrollar uno de los
sistemas de determinación de distancia en este proyecto.
Sensor de ultrasonido
El ultrasonido es una radiación mecánica con frecuencia superior
a las audibles (20Khz). Que al incidir sobre un objeto, en parte se
refleja, en parte se transmite y en parte es absorbida.Si existe
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
movimiento relativo entre la fuente de radiación y el reflector, se
produce el fenómeno denominado (Efecto Doppler)
Todos estos fenómenos son utilizados para censar y detectar
distancias de un objeto. Este tipo de sensores son muy
confiables, de bajo costo, pequeños y prácticos además de su
gran facilidad de adaptación, incluso algunos sensores traen
dentro de sí todo el sistema de control para emitir señales lineales
que pueden ser utilizadas en infinidad de aplicaciones, dentro de
sus defectos se encuentra que el haz de infrarrojo es cónico y la
reflexión depende mucho del material. Cosa que se convierte en
una ventaja para el desarrollo de este prototipo pues de acuerdo
a la tonalidad dada se podría identificar además del obstáculo su
composición, son muy sensibles al ambiente pero no a la luz, si
no al aire que lo circunda y su temperatura, pero a pesar de todo
esto este tipo de sensores son los más idóneos para el proyecto
pues cumplen a cabalidad con todas las características deseadas
para poder desarrollar dicho sistema, son baratos, de fácil
adquisición, de tecnología actual y sus rangos de distancia son
más que suficientes.
B. Inplemento principal para el proyecto.: Sensores de ultrasonido:
Sensores basados en la interacción de los ultrasonidos con un
objeto. Se denomina ultrasonidos a las vibraciones de frecuencia
superior a las audibles por el ser humano (>20 KHz) que se
producen en un medio elástico. Para el proyecto usaremos los
sensores de ultrasonido.
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
La medida de diferentes variables físicas mediante los
ultrasonidos están relacionadas normalmente con su velocidad, su
tiempo de propagación y, en algunos casos, con la atenuación o
interrupción del haz propagado. Hay tres principios físicos en los
que se basa el funcionamiento de los sensores de ultrasonidos:
Propagación de los ultrasonidos en medios homogéneos y no
homogéneos
Reflexión de los ultrasonidos en objetos inmóviles o fijos.
Efecto Doppler.
-Propagación en medios homogéneos :Las perturbaciones
sonoras que se producen en un punto de un medio elástico se
propagan a través de él con una velocidad c, que depende de la
densidad ρ del medio y de su módulo de elasticidad E, de acuerdo
con la ecuación:
c=√ EρSe define la impedancia acústica Z del medio como el producto de
la densidad ρ por la velocidad del sonido c:
Z=P .C
-Influencia de los factores ambientales:La temperatura puede
influir significativamente en la propagación de los ultrasonidos.
La densidad del aire depende de la temperatura que influye sobre
la velocidad de propagación de la onda de acuerdo con la
expresión:
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
En la que Vso es la velocidad de propagación de la onda sonora a
0 ºC, y T es la temperatura absoluta (grados Kelvin).
Como resultado de la perturbación, la presión varía con respecto
a un valor medio y la diferencia entre el valor instantáneo y el
valor medio se denomina presión acústica p.
La intensidad I de la onda es la potencia por unidad de superficie
en W/m2.
La impedancia Z, la presión acústica p y la intensidad I están
relacionadas mediante la ecuación.
Los ultrasonidos se pueden propagar a través de un medio
homogéneo o no homogéneo.
Al propagarse la radiación en un medio homogéneo, su intensidad
sufre una atenuación exponencial de acuerdo con la ecuación:
−2αx.
Si la onda pasa de un medio de impedancia Z1 a otro de
impedancia Z2, además de ser absorbida, se refleja. En este caso
los coeficientes de reflexión y transmisión son:
Generacion de ultrasonidos:Para generar ultrasonidos se utilizan habitualmente materiales
piezoeléctricos en los que se generan tensiones eléctricas al
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
aplicarles una presión mecánica El efecto piezoeléctrico se debe a
que la presión provoca una deformación de la retícula cristalina
que da lugar, a su vez, a un desplazamiento de las cargas
eléctricas moleculares, lo que hace que aparezcan diferencias de
potencial entre las caras del material. El signo de esta diferencia
de potencial se invierte cuando se invierte el sentido de la presión,
que puede ser de tracción o de compresión. El cuarzo y la
turmalina son materiales piezoeléctricos naturales, pero, debido al
valor reducido de sus parámetros característicos, fueron
sustituidos por otros materiales piezoeléctricos sintéticos
implementados con titanatos y circonatos de plomo (PZV). Estos
materiales son más estables que los naturales, aunque presentan
el inconveniente de su dependencia de la temperatura y la pérdida
de sus propiedades piezoeléctricas a medida que su temperatura
se acerca al valor de Curie.
Los sensores electrónicos de ultrasonidos se basan en la
reversibilidad del principio de funcionamiento de los materiales
piezoeléctricos.
Dichos materiales se caracterizan por generar una señal eléctrica
al aplicarles una onda de presión (en este caso el sonido) y por
ser capaces de vibrar y de generar ondas de presión cuando
están inmersos en un medio elástico como por ejemplo el aire,
cualquier otro fluido o un sólido, al aplicarles una excitación
eléctrica.
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
En general se necesitan haces estrechos a fin de evitar
reflexiones indeseadas, para lo cual la superficie de emisión debe
ser grande con respecto a la longitud de onda del ultrasonido
emitido.
En este caso, además del cono de radiación fundamental se
generan un conjunto de lóbulos secundarios en forma de anillos.
PRINCIPALES EFECTOS UTILIZADOS PARA IMPLEMENTAR SENSORES DE ULTRASONIDOS
La interrupción del haz ultrasónico: Funciona
como detector de un objeto que interrumpe el
haz ultrasónico
La reflexión en objetos inmóviles o fijos: Es
debida a la propagación en medios no
homogéneos, que no se mueven uno con
respecto al otro, descrita anteriormente.
La reflexión en objetos móviles (efecto Doppler)
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Es debida a la propagación en medios no
homogéneos que tienen un movimiento relativo
entre ellos.
Tipos de sensores de ultrasonido:
Sensor ultrasónico de reflexión en objetos Inmóviles o de tipo eco
Se mide el tiempo que tarda en recibirse el eco de un impulso
emitido, debido a la reflexión sobre un objeto presente en el
camino de propagación de la radiación.
El objeto puede ser un líquido, un sólido, granular o polvo, con la
única restricción de que debe tener una impedancia acústica muy
diferente de la del medio en el que se propagan los ultrasonidos,
para que la mayor parte de la radiación se refleje.
Sensor ultrasónico de reflexión en objetos Inmóviles o de tipo eco
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
En los sensores de ultrasonidos de bajo coste se utiliza el mismo
transductor como emisor y receptor. Tras la emisión del
ultrasonido se espera un determinado tiempo a que las
vibraciones en el sensor desaparezcan y a que esté preparado
para recibir el eco producido por el obstáculo.
Esto implica que existe una distancia mínima d (proporcional al
tiempo de relajación del transductor) a partir de la cual el sensor
mide con precisión.
Aplicación de los sensores de reflexión:Aplicación de los
sensores de reflexión en objetos inmóviles:
Ejemplo: Circuito de medida de distancias basado en la medida
del tiempo de propagación.
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Sensor ultrasónico de reflexión en objetos inmóviles
SENSOR ULTRASÓNICO DE REFLEXIÓN EN OBJETOS INMÓVILES:
Para lograr un gran alcance y reducir las interferencias acústicas
es importante que el haz emitido sea estrecho.
Si el tamaño del objeto es menor que la longitud de onda, la
radiación reflejada es débil, por lo que para objetos pequeños se
debe trabajar a alta frecuencia.
El efecto de las interferencias acústicas es menor a altas
frecuencias pero la atenuación de la onda es mayor.
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Si la temperatura ambiente no es constante hay que compensar la
variación de la velocidad c de propagación (a menor temperatura
mayor tiempo de recepción). La velocidad también depende de la
presión, la densidad o la presencia de sustancias disueltas. Por
ello, se suele calcular primero el valor de c mediante la reflexión
en un objeto a una distancia conocida.
Influencia de la temperatura del objeto en la transmisión de los
ultrasonidos: a) Objeto frío; b) Objeto caliente y sensor sobre él en
la misma vertical ; c) Objeto caliente y sensor situado
lateralmente.
Para medir distintas variables físicas mediante ultrasonidos se
utiliza su velocidad, su tiempo de propagación y en algunos casos
la atenuación o interrupción del haz propagado. Ejemplo:
Utilización del nivel de atenuación de la onda para detectar grietas
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Aplicación:
Polaroid Ultrasonic Sensor Desarrollado para implementar el
sistema automático de enfoque de una cámara en el rango de 15
cm a 100 m.
Srf235 sensor de ultrasonidos de alta frecuencia:
El sensor SRF235 es un medidor de
distancias por ultrasonidos de alta
frecuencia y haz estrecho que posee un
procesador de comunicaciones I2C. Se
utiliza en robótica. Este sensor de
ultrasonidos destaca por funcionar a una
frecuencia de 235Khz y generar un haz de tan solo 15 grados, lo
que proporciona una medida de elevada precisión y gran
direccionabilidad. Las ondas ultrasonoras de 235KHz no se
transmiten tan fácilmente a través del aire como las de 40KHz.
Esto hace que el alcance del sensor SRF235 esté limitado
aproximadamente a 1 m para objetos normales y un máximo de
1,2 m para superficies extensas.
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Srf04 sensor de medida de distancias por ultrasonidos srf04
Es un sensor de distancias por ultrasonidos capaz de detectar
objetos y calcular la distancia a la que se encuentra en un rango
de 3 a 300 cm. Funciona mediante ultrasonidos y contiene el
sensor propiamente dicho y el circuito de acondicionamiento.
Emite un impulso y mide la anchura del impulso de retorno. Es de
muy pequeño tamaño y destaca por su bajo consumo, gran
precisión y bajo precio. Reemplaza ventajosamente a los
sensores polaroid antes descritos en las aplicaciones de robótica.
Srf05 sensor distancias ultrasonidos simple:
El SRF05 es un sensor de medida de distancias compatible con el
clásico SRF04. En el modo estándar, el SRF05 se comporta igual
que el SRF04 pero posee un rango de medida de 4m en lugar de
3m. Además el sensor SRF05 posee un modo de trabajo que
emplea un solo terminal para actuar sobre él y hacer la lectura de
la medida.
Sistemas de percepción y control de robots móviles:
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Los sensores de ultrasonidos se suelen utilizar en sistemas de
reconocimiento del entorno y medición de distancias en robótica.
En este caso se utilizan varios sensores y se diseña una
estrategia de control en función de las mediciones de los mismos.
Los sensores se colocan de una manera determinada en la
superficie exterior del robot y el resultado de las medidas se utiliza
para establecer la estrategia de movimiento del mismo.
Sistema de prevención de colisiones:
Sistema de prevención de colisiones para vehículos de la industria
de la construcción (grúas, camiones, topadoras, tractores,
montacargas, etc.
Es muy común durante el trabajo en obra que estos vehículos
colisionen con el entorno debido a la gran cantidad de maniobras
que deben realizar dentro de un ambiente en constante cambio y
a la escasa visibilidad ocasionada por el propio vehículo. El coste
de reparación de estos vehículos y las demoras ocasionadas
justifican la instalación de un sistema para la prevención de
colisiones.
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
SONAR (SOund NAvigation and Ranging)
Utilizan la reflexión de los ultrasonidos en objetos situados en el
agua. Se usó con fines militares en la Segunda Guerra Mundial.
Hoy en día su aplicación militar está en desuso ya que la llegada
del impulso alerta al objetivo de la presencia del emisor antes de
que éste escuche el eco. Actualmente se utiliza para detectar
bancos de peces.
Efecto dopler:El efecto Doppler, llamado así por Christian Andreas Doppler en
1842, consiste en la variación de la frecuencia de cualquier tipo de
onda emitida o recibida por un objeto en movimiento. La
frecuencia percibida por un observador (o) de una fuente (s) es:
Los signos indican que los valores son distintos en el numerador y
denominador.
Aplicación : caudalímetro
Se basan en la diferencia entre el valor del tiempo que tardan dos
ondas en recorrer el mismo camino en sentidos opuestos en el
seno de un fluido en movimiento. Debido al efecto Dopler la
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
velocidad del sonido se suma a la del fluido, lo que da como
resultado valores diferentes para los recorridos A-B y B-A. El
emisor y el receptor se sitúan en las paredes opuestas de la
tubería y forman un ángulo con el eje
CAUDALÍMETROS:
C. Definición de términos básicos
Resistencia.
Es un material formado por carbón y otros elementos resistivos
para disminuir la corriente que pasa. Se opone al paso de la
corriente. La corriente máxima y diferencia de potencial
máxima en un resistor viene condicionada por la máxima
potencia que pueda disipar su cuerpo. Esta potencia se puede
identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
necesaria otra indicación. Los valores más comunes son 0,25
W, 0,5 W y 1 W.
Existen resistores de valor manualmente ajustable, llamados
potenciómetros, reostatos o simplemente resistencias
variables. También se producen dispositivos cuya resistencia
varía en función de parámetros externos, como los termistores,
que son resistores que varían con la temperatura; los
varistores que dependen de la tensión a la cual son sometidos,
o las fotorresistencias que lo hacen de acuerdo a la luz
recibida.
Propiedad de un objeto o sustancia que hace que se resista u
oponga al paso de una corriente eléctrica. La resistencia de un
circuito eléctrico determina según la llamada ley de Ohm
cuánta corriente fluye en el circuito cuando se le aplica un
voltaje determinado. La unidad de resistencia es el ohmio, que
es la resistencia de un conductor si es recorrido por una
corriente de un amperio cuando se le aplica una tensión de 1
voltio. La abreviatura habitual para la resistencia eléctrica es
R, y el símbolo del ohmio es la letra griega omega, Ω. En
algunos cαlculos eléctricos se emplea el inverso de la
resistencia, 1/R, que se denomina conductancia y se
representa por G. La unidad de conductancia es siemens,
cuyo símbolo es S. Aún puede encontrarse en ciertas obras la
denominación antigua de esta unidad, mho.
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Potenciometro:
Los potenciómetros limitan el paso de la corriente eléctrica
(Intensidad) provocando una caída de tensión en ellos al igual
que en una resistencia, pero en este caso el valor de la
corriente y la tensión en el potenciómetro las podemos variar
solo con cambiar el valor de su resistencia. En una resistencia
fija estos valores serían siempre los mismos. Si esto no lo
tienes claro es mejor que estudies las magnitudes eléctricas.
El valor de un potenciómetro viene expresado en ohmios
(símbolo Ω) como las resistencias, y el valor del potenciómetro
siempre es la resistencia máxima que puede llegar a tener. La
mínimo lógicamente es cero. Por ejemplo un potenciómetro
de 10KΩ puede tener una resistencia con valores entre 0Ω y
10.000Ω.
El potenciometro más sencillo es una resistencia variable
mecánicamente. Los primeros potenciómetros y más sencillos
son los reóstatos.
Fíjate que la resistencia es el hilo conductor enrollado.
Tenemos 3 terminales A, B y C. Si conectáramos los
terminales A y B al circuito sería una resistencia Fija del valor
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
igual al máximo de la resistencia que podría tener el reóstato.
Ahora bien si conectamos los terminales A y C el valor de la
resistencia dependería de la posición donde estuviera el
terminal C, que se puede mover hacia un lado o el otro.
Hemos conseguido un Potenciómetro, ya que es una
resistencia variable. Este potenciómetro es variable
mecánicamente, ya que para que varía la resistencia lo
hacemos manualmente, moviendo el terminal C. Este tipo de
potenciómetros se llaman reóstatos, suelen tener resistencia
grandes y se suelen utilizar en circuitos eléctricos por los que
circula mucha intensidad.
Se suelen llamar potenciómetros lineales o deslizantes por que
cambian su valor deslizando por una línea la patilla C. Veamos
como son en realidad.
El mismo mecanismo, pero mas pequeño, tendrían
los potenciómetros rotatorios para electrónica. Se usan en
circuitos de pequeñas corrientes.
Si nos fijamos tienen 3 patillas como el anterior. Para
conectarlo debemos conectar al circuito las patillas A y B o la
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
C y B, es decir la del medio siempre con una de los extremos y
así conseguiremos que sea variable. Tienen una rosca que
puede variarse con un destornillador, como es el caso del de
color negro, o puede tener un saliente que gira con la mano
para variar la resistencia del potenciómetro al valor que
queramos. Estos potenciometros también se llaman rotatorios.
El símbolo de un potenciómetro mecanico en un circuito
eléctrico es el siguiente:
Vemos que es como el de una resistencia pero con una flecha
que lo atraviesa y que significa variabilidad (que varia).
Podemos usar cualquiera de los dos.
Ya tenemos claro lo que es un potenciometro, ahora veamos
los tipos que hay tipos de Potenciómetros.
Los primeros y más usados son los ya estudiados llamados
mecánicos. Los hay rotatorios, lineales, logarítmicos y
senoidales. Los dos primeros ya los hemos visto, veamos los
otros.
Logarítmicos: Estos son empleados normalmente para audio
por su manera asimétrica de comportarse ante la variación de
su eje, al principio sufriremos un incremento de la resistencia
muy leve, hasta llegar a un punto en que el incremento será
mucho mayor. En los anteriores la resistencia varía de forma
lineal, sin embargo en estos la variación de la resistencia
tendría una curva logarítmica. Cuanto más giramos la rueda
mayor es el aumento de la resistencia. Al principio varía muy
poco la resistencia. Se suelen usar por ejemplo para el
volumen de una radio.
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Senoidales. La resistencia es proporcional al seno del ángulo
de giro. Dos potenciómetros senoidales solidarios y girados
90° proporcionan el seno y el coseno del ángulo de giro.
Pueden tener topes de fin de carrera o no.
Ahora hay los llamados Potenciómetros Digitales. Se usan
para sustituir a los mecánicos simulando su funcionamiento y
evitando los problemas mecánicos de estos últimos. Está
formado por un circuito integrado que simula el
comportamiento de su equivalente analógico. Tienen un divisor
resistivo (divisor de tensión) con n+1 resistencias.
Por último vamos hablar de unos componentes que no se
consideran potenciómetros propiamente, pero si que son
resistencias variables.
LDR son resistencias que varían con la luz que incide sobre
ella. Es un resistencia variable con la luz.
NTC y PTC son resistencias variable con la temperatura. La
NTC aumenta al disminuir la temperatura y la PTC aumenta al
aumentar la temperatura.
Circuitos con Potenciómetro:
Veamos el circuito más clásico. Tenemos un circuito para que
se encienda un led con una pila a 9V. El Led trabajo a una
tensión de 2V, por lo que pondremos una resistencia fija (para
que la resistencia total del circuito nunca sea 0, en caso de
poner a 0 el potenciómetro) y un potenciómetro para provocar
una caída de tensión de 7V entre la Rfija y el Potenciómetro,
de tal forma que el Led solo tenga los 2V necesario como
máximo.
27
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Si el potenciómetro lo ponemos a 0 de resistencia la tensión
del Led será la máxima que pueda tener (2V). si ahora
aumentamos la resistencia del potenciometro el Led estará a
menos tensión y lucirá menos. A más resistencia del
potenciómetro menos tensión en el Led y lucirá menos.
Podemos usar un potenciómetro para controlar el nivel de luz,
pero también para controlar el volumen en audífonos, radios y
amplificadores, el nivel de calor en un radiador, nivel de
iluminación de un televisor, indicar el nivel de gasolina en un
coche, etc.
Si cambiamos el Led por un altavoz controlaremos el nivel del
altavoz.
Otro de los usos de los potenciómetros es la de reguladores
de velocidad en motores. Si ponemos en serie un
potenciometro con un motor al aumentar la resistencia del
potenciómetro disminuirá la velocidad del motor d.c. Esto es
mejor hacerlo con un transistor. El potenciómetro controla la
intensidad que envía el transistor al motor. El potenciómetro
controla la intensidad de base. Para saber más sobre el
transistor pincha en el enlace subrayado. Veamos el esquema.
28
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Capacitores:
El capacitor es un dispositivo eléctrico que permite almacenar
energía en forma de campo eléctrico. Es decir, es un
dispositivo que almacena cargas en reposo o estáticas. Consta
en su forma más básica de dos placas de metal llamadas
armaduras enfrentadas unas a otras, de forma que al
conectarlas a una diferencia de potencial o voltaje una de ellas
adquiera cargas negativas y la otra positivas.
Esto se debe a que al conectar las armaduras a una diferencia
de potencial, que puede ser una batería, las cargas llegan muy
rápidamente a un nuevo estado de reposo en la cual esa
diferencia de potencial es "transmitida"(los electrones del polo
negativo de la batería se repelen hacia una placa mientras que
en el polo positivo se extraen electrones de la otra armadura)a
las armaduras, pero al estar enfrentadas las placas unas con
otras estas cargas se atraen formando un campo eléctrico
paralelo y almacenando energía eléctrica permanentemente.
Como el capacitor tiene en cada placa cargas iguales pero de
signo opuesto, la carga neta del condensador es nula. Cuando
se habla de carga de un capacitor se habla de la carga de
cualquiera de sus placas, pero en realidad sólo las cargas de
la placa negativa se mueven (hacia la placa positiva), debido a
que el movimiento es sólo de los electrones.
Cuánta carga almacena un condensador al aplicársele una
diferencia de potencial entre sus terminales viene determinado
por una magnitud llamada capacitancia.
Esto viene dado por la fórmula:
C=Q.V
29
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
En realidad todo conductor eléctrico tiene una capacitancia
intrínseca e incluso componentes electrónicos
semiconductores como diodos especiales pueden desarrollar
capacitancias altas en determinados casos no obstante el
condensador como su nombre lo dice es un componente
hecho especialmente para tener una capacitancia alta y esta
dependerá del material con que esté hecho y su forma
geométrica.
La capacitancia de mide en unidades llamadas faradios en
honor al célebre científico inglés Michael Faraday quién
descubrió del fenómeno de la inducción electromagnética y
realizó trabajos importantes en electroquímica.
Un faradio se puede definir como la capacidad que tiene que
tener un conductor para que al aplicársele un voltio de
diferencia de potencial adquiera la carga de un culombio.
En la práctica el faradio es una unidad excesivamente grande
por lo que en la práctica se utilizan submúltiplos como los
milifaradios microfaradios nanofaradios y picofaradios Cabe
mencionar que desde hace unas décadas se vienen
desarrollando los súper capacitores teniendo éstos
capacitancias medidas en faradios y en tamaños cada vez
más reducidos.
Para un capacitor un su forma más básica es decir un
condensador plano paralelo la capacitancia se puede expresar
también como:
C=e?.S.D
Dónde:
?=Permitividad del dieléctrico
S=Superficie efectiva de las placas
D=Distancia entre las placas
30
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Se puede aumentar la capacitancia de un condensador si se
introduce un aislante o dieléctrico entre las placas llenando
todo el espacio existente entre éstas Esto se debe a un efecto
conocido como polarización del dieléctrico.
La polarización en un dieléctrico es un reordenamiento de los
electrones en dicho aislante que se consigue acercando un
cuerpo cargado a un extremo del aislante En el aislante se
producirá un movimiento muy pequeño de los electrones
(menor que el diámetro atómico),y éste quedará cargado
positivamente por un lado y negativamente por el otro.
Si insertamos un dieléctrico a un capacitor ya cargado el
voltaje en éste se reducirá pero la capacitancia aumentará
manteniéndose igual la carga Si hacemos lo mismo con un
capacitor que esta conectado a una batería la batería
suministrará mas carga para mantener la tensión original por lo
que la carga en el capacitor aumentará.
La capacitancia en ambos casos se verá aumentada por el
factor k C=CoK
Pulsador:
Un botón o pulsador es un dispositivo utilizado para realizar
cierta función. Los botones son de diversas formas y tamaño y
se encuentran en todo tipo de dispositivos, aunque
principalmente en aparatos eléctricos y electrónicos.
Los botones son por lo general activados, al ser pulsados con
un dedo. Permiten el flujo de corriente mientras son
accionados. Cuando ya no se presiona sobre él vuelve a su
posición de reposo.
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
PIC:
El PIC usa un juego de instrucciones, cuyo número puede
variar desde 35 para PIC de gama baja a 70 para los de gama
alta. Las instrucciones se clasifican entre las que realizan
operaciones entre el acumulador y una constante, entre el
acumulador y una posición de memoria, instrucciones de
condicionamiento y de salto/retorno, implementación de
interrupciones y una para pasar a modo de bajo consumo
llamada sleep.
Microchip proporciona un entorno de desarrollo freeware
llamado MPLAB que incluye un simulador software y un
ensamblador. Otras empresas desarrollan compiladores C y
BASIC. Microchip también vende compiladores para los PIC
de gama alta ("C18" para la serie F18 y "C30" para los dsPIC)
y se puede descargar una edición para estudiantes del C18
que inhabilita algunas opciones después de un tiempo de
evaluación.
Para el lenguaje de programación Pascal existe un compilador
de código abierto, JAL, lo mismo que PicForth para el lenguaje
Forth. GPUTILS es una colección de herramientas distribuidas
bajo licencia GPL que incluye ensamblador y enlazador, y
funciona en Linux, MacOS y Microsoft Windows. GPSIM es
32
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
otra herramienta libre que permite simular diversos dispositivos
hardware conectados al PIC.
Uno de los más modernos y completos compiladores para
lenguaje C es [mikroC], que es un ambiente de desarrollo con
editor de texto, bibliotecas con múltiples funciones para todos
los módulos y herramientas incorporadas para facilitar
enormemente el proceso de programación.
Zocalo:
En electrónica, el zócalo es el dispositivo para conectar
circuitos integrados en circuitos impresos, sin realizar
soldadura. Esto evita someter a temperatura excesiva a los
integrados u otros dispositivos, que puede dañarlos; además
permite el reemplazo del componente sin pasar por un proceso
de desoldadura y soldadura.
Los zócalos se utilizan habitualmente para memorias y otros
componentes similares, para permitir la modificación de su
información.
Existen diversos patillajes o conexiones de los zócalos, entre
los más habituales se encuentran los DIP (dual in-line
package); también los hay para SMD (surface mount device).
33
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
También existen zócalos ZIF (zero insertion force) en los que
el componente se coloca sin realizar presión. Se utilizan
normalmente para conectar componentes como memorias,
arrays programables y microcontroladores.
Pantalla LCD:
Una pantalla de cristal líquido o LCD (sigla del inglés liquid
crystal display) es una pantalla delgada y plana formada por
un número de píxeles en color o monocromos colocados
delante de una fuente de luz o reflectora. A menudo se utiliza
en dispositivos electrónicos de pilas, ya que utiliza cantidades
muy pequeñas de energía eléctrica.
Cada píxel de un LCD típicamente consiste de una capa de
moléculas alineadas entre dos electrodos transparentes, y dos
filtros de polarización, los ejes de transmisión de cada uno que
están (en la mayoría de los casos) perpendiculares entre sí.
Sin cristal líquido entre el filtro polarizante, la luz que pasa por
el primer filtro sería bloqueada por el segundo (cruzando)
polarizador.
La superficie de los electrodos que están en contacto con los
materiales de cristal líquido es tratada a fin de ajustar las
moléculas de cristal líquido en una dirección en particular. Este
tratamiento suele ser normalmente aplicable en una fina capa
de polímero que es unidireccionalmente frotada utilizando, por
34
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
ejemplo, un paño. La dirección de la alineación de cristal
líquido se define por la dirección de frotación.
Antes de la aplicación de un campo eléctrico, la orientación de
las moléculas de cristal líquido está determinada por la
adaptación a las superficies. En un dispositivo twisted nematic,
TN (uno de los dispositivos más comunes entre los de cristal
líquido), las direcciones de alineación de la superficie de los
dos electrodos son perpendiculares entre sí, y así se
organizan las moléculas en una estructura helicoidal, o
retorcida. Debido a que el material es de cristal líquido
birrefringente, la luz que pasa a través de un filtro polarizante
se gira por la hélice de cristal líquido que pasa a través de la
capa de cristal líquido, lo que le permite pasar por el segundo
filtro polarizado. La mitad de la luz incidente es absorbida por
el primer filtro polarizante, pero por lo demás todo el montaje
es transparente.
Cuando se aplica un voltaje a través de los electrodos, una
fuerza de giro orienta las moléculas de cristal líquido paralelas
al campo eléctrico, que distorsiona la estructura helicoidal
(esto se puede resistir gracias a las fuerzas elásticas desde
que las moléculas están limitadas a las superficies). Esto
reduce la rotación de la polarización de la luz incidente, y el
dispositivo aparece gris. Si la tensión aplicada es lo
suficientemente grande, las moléculas de cristal líquido en el
centro de la capa son casi completamente desenrolladas y la
polarización de la luz incidente no es rotada ya que pasa a
través de la capa de cristal líquido. Esta luz será
principalmente polarizada perpendicular al segundo filtro, y por
eso será bloqueada y el pixel aparecerá negro. Por el control
de la tensión aplicada a través de la capa de cristal líquido en
cada píxel, la luz se puede permitir pasar a través de distintas
cantidades, constituyéndose los diferentes tonos de gris.
Pantalla LCD en un despertador.
35
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
El efecto óptico de un dispositivo twisted nematic (TN) en el
estado del voltaje es mucho menos dependiente de las
variaciones de espesor del dispositivo que en el estado del
voltaje de compensación. Debido a esto, estos dispositivos
suelen usarse entre polarizadores cruzados de tal manera que
parecen brillantes sin tensión (el ojo es mucho más sensible a
las variaciones en el estado oscuro que en el brillante). Estos
dispositivos también pueden funcionar en paralelo entre
polarizadores, en cuyo caso la luz y la oscuridad son estados
invertidos. La tensión de compensación en el estado oscuro de
esta configuración aparece enrojecida debido a las pequeñas
variaciones de espesor en todo el dispositivo. Tanto el material
del cristal líquido como el de la capa de alineación contienen
compuestos iónicos. Si un campo eléctrico de una
determinada polaridad se aplica durante un período
prolongado, este material iónico es atraído hacia la superficie y
se degrada el rendimiento del dispositivo. Esto se intenta
evitar, ya sea mediante la aplicación de una corriente alterna o
por inversión de la polaridad del campo eléctrico que está
dirigida al dispositivo (la respuesta de la capa de cristal líquido
es idéntica, independientemente de la polaridad de los campos
aplicados)
Cuando un dispositivo requiere un gran número de píxeles, no
es viable conducir cada dispositivo directamente, así cada
píxel requiere un número de electrodos independiente. En
cambio, la pantalla es multiplexada. En una pantalla
multiplexada, los electrodos de la parte lateral de la pantalla se
agrupan junto con los cables (normalmente en columnas), y
cada grupo tiene su propia fuente de voltaje. Por otro lado, los
electrodos también se agrupan (normalmente en filas), en
36
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
donde cada grupo obtiene una tensión de sumidero. Los
grupos se han diseñado de manera que cada píxel tiene una
combinación única y dedicada de fuentes y sumideros. Los
circuitos electrónicos o el software que los controla, activa los
sumideros en secuencia y controla las fuentes de los píxeles
de cada sumidero.
Llantas:
Las ruedas del robot son movidas por los motores.
Normalmente se usan ruedas de materiales anti-deslizantes
para evitar fallas de tracción. Su tamaño es otro factor a tener
en cuenta a la hora de armar el robot.
Sensores:
Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más
que un dispositivo diseñado para recibir información de una
magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud,
normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y
manipular.
Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados
mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias
variables, PTC, NTC, LDR, etc... todos aquellos componentes
37
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
que varían su magnitud en función de alguna variable), y la
utilización de componentes activos.
Pero el tema constructivo de los captadores lo dejaremos a un
lado, ya que no es el tema que nos ocupa, más adelante
incluiremos en el WEB SITE algún diseño en particular de
algún tipo de sensor.
Descripción de algunos sensores:
Pretendo explicar de forma sencilla algunos tipos de sensores.
Sensores de posición:
Su función es medir o detectar la posición de un determinado
objeto en el espacio, dentro de este grupo, podemos encontrar
los siguientes tipos de captadores;
Los captadores fotoeléctricos:
La construcción de este tipo de sensores, se encuentra
basada en el empleo de una fuente de señal luminosa
(lámparas, diodos LED, diodos láser etc...) y una célula
receptora de dicha señal, como pueden ser fotodiodos,
fototransistores o LDR etc.
Este tipo de sensores, se encuentra basado en la emisión de
luz, y en la detección de esta emisión realizada por los
fotodetectores.
Según la forma en que se produzca esta emisión y detección
de luz, podemos dividir este tipo de captadores en: captadores
por barrera, o captadores por reflexión.
En el siguiente esquema podremos apreciar mejor la diferencia
entre estos dos estilos de captadores:
Captadores:
38
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Captadores por barrera. Estos detectan la existencia de un
objeto, porque interfiere la recepción de la señal luminosa.
Captadores por reflexión; La señal luminosa es reflejada por el
objeto, y esta luz reflejada es captada por el captador
fotoeléctrico, lo que indica al sistema la presencia de un
objeto.
Sensores de contacto:
Estos dispositivos, son los más simples, ya que son
interruptores que se activan o desactivan si se encuentran en
contacto con un objeto, por lo que de esta manera se reconoce
la presencia de un objeto en un determinado lugar.
Captadores de circuitos oscilantes:
Este tipo de captadores, se encuentran basados en la
existencia de un circuito en el mismo que genera una
determinada oscilación a una frecuencia prefijada, cuando en
el campo de detección del sensor no existe ningún objeto, el
circuito mantiene su oscilación de un manera fija, pero cuando
un objeto se encuentra dentro de la zona de detección del
mismo, la oscilación deja de producirse, por lo que el objeto es
detectado.
Estos tipos de sensores son muy utilizados como detectores
de presencia, ya que al no tener partes mecánicas, su
robustez al mismo tiempo que su vida útil es elevada.
Sensores por ultrasonidos:
Este tipo de sensores, se basa en el mismo funcionamiento
que los de tipo fotoeléctrico, ya que se emite una señal, esta
vez de tipo ultrasónica, y esta señal es recibida por un
39
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
receptor. De la misma manera, dependiendo del camino que
realice la señal emitida podremos diferenciarlos entre los que
son de barrera o los de reflexión.
Captadores de esfuerzos:
Este tipo de captadores, se encuentran basados en su mayor
parte en el empleo de galgas extensométrica, que son unos
dispositivos que cuando se les aplica una fuerza, ya puede ser
una tracción o una compresión, varia su resistencia eléctrica,
de esta forma podemos medir la fuerza que se está aplicando
sobre un determinado objeto.
Sensores de Movimientos:
Este tipo de sensores es uno de los más importantes en
robótica, ya que nos da información sobre las evoluciones de
las distintas partes que forman el robot, y de esta manera
podemos controlar con un grado de precisión elevada la
evolución del robot en su entorno de trabajo.
Sensores de deslizamiento:
Este tipo de sensores se utiliza para indicar al robot con que
fuerza ha de coger un objeto para que este no se rompa al
aplicarle una fuerza excesiva, o por el contrario que no se
caiga de las pinzas del robot por no sujetarlo debidamente.
Su funcionamiento general es simple, ya que este tipo de
sensores se encuentran instalados en el órgano aprehensor
(pinzas), cuando el robot decide coger el objeto, las pinzas lo
agarran con una determinada fuerza y lo intentan levantar, si
se produce un pequeño deslizamiento del objeto entre las
pinzas, inmediatamente es incrementada la presión le las
pinzas sobre el objeto, y esta operación se repite hasta que el
deslizamiento del objeto se ha eliminado gracias a aplicar la
fuerza de agarre suficiente.
40
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Sensores de Velocidad:
Estos sensores pueden detectar la velocidad de un objeto
tanto sea lineal como angular, pero la aplicación más conocida
de este tipo de sensores es la medición de la velocidad
angular de los motores que mueven las distintas partes del
robot. La forma más popular de conocer la velocidad del giro
de un motor, es utilizar para ello una dinamo tacométrica
acoplada al eje del que queremos saber su velocidad angular,
ya que este dispositivo nos genera un nivel determinado de
tensión continua en función de la velocidad de giro de su eje,
pues si conocemos a que valor de tensión corresponde una
determinada velocidad, podremos averiguar de forma muy
fiable a qué velocidad gira un motor. De todas maneras, este
tipo de sensores al ser mecánicos se deterioran, y pueden
generar errores en las medidas.
Existen también otros tipos de sensores para controlar la
velocidad, basados en el corte de un haz luminoso a través de
un disco perforado sujetado al eje del motor, dependiendo de
la frecuencia con la que el disco corte el haz luminoso indicará
la velocidad del motor.
Sensores de Aceleración:
Este tipo de sensores es muy importante, ya que la
información de la aceleración sufrida por un objeto o parte de
un robot es de vital importancia, ya que si se produce una
aceleración en un objeto, este experimenta una fuerza que
tiende a hacer poner el objeto en movimiento.
Supongamos el caso en que un brazo robot industrial sujeta
con una determinada presión un objeto en su órgano terminal,
si al producirse un giro del mismo sobre su base a una
determinada velocidad, se provoca una aceleración en todo el
brazo, y en especial sobre su órgano terminal, si esta
aceleración provoca una fuerza en determinado sentido sobre
41
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
el objeto que sujeta el robot y esta fuerza no se ve
contrarrestada por otra, se corre el riesgo de que el objeto
salga despedido del órgano aprehensor con una trayectoria
determinada, por lo que el control en cada momento de las
aceleraciones a que se encuentran sometidas determinadas
partes del robot son muy importantes.
Quemador de PIC:
El programador se conecta al puerto serie de ordenador, más
adelante veremos el modelo exacto que seleccionaremos en el
software para programar los microcontroladores con nuestro
circuito.
En la siguiente tabla podemos ver los modelos de
microcontroladores que podemos programar.
En todos los modelos de PICs, el programador funciona tanto
con las distintas versiones de cada modelo (-P, -A, -B, -JW),
como con las versiones de bajo consumo (16LF y 18LF). Estos
modelos al ser redundante no están incluidos en la tabla.
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
El esquema eléctrico es de lo más sencillo.
Placa:
Es una lamina fabricada de vinillo que posee numero variable
de pequeños orificios y símbolos (según el diseño) donde se
montan componentes electrónicos a fin de armar un circuito
con un fin practico.
Fibra de vidrio:
La fibra de vidrio se conforma de hebras delgadas hechas a
base de sílice o de formulaciones especiales de vidrio,
extruidas a modo de filamentos de diámetro diminuto y aptas
para procesos de tejeduría. La técnica de calentar y elaborar
fibras finas a partir de vidrio se conoce desde hace milenios;
sin embargo, el uso de estas fibras para aplicaciones textiles
es mucho más reciente: sólo hasta ahora es posible fabricar
hebras y fibras de vidrio almacenadas en longitudes cortadas y
43
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
estandarizadas. La primera producción comercial de fibra de
vidrio ocurrió en 1936; en 1938 Owens-Illinois Glass Company
y Corning Glass Works se unieron para formar la Owens-
Corning Fiberglas Corporation. Cuando ambas compañías se
unieron para producir y promover la fibra de vidrio, introdujeron
al mercado filamentos continuos de fibra de vidrio.1 Owens-
Corning continúa siendo el mayor productor de fibra de vidrio
en el mercado actual.2
Los tipos de fibra de vidrio usados más comúnmente son las
de vidrio clase E (E-glass: vidrio de alumino-borosilicato con
menos de 1% peso/peso de óxidos alcalinos, principalmente
usada para GRP), pero también se usan las clases A (A-glass:
vidrio alcali-cal con pocos o ningún óxido de boro), clase E-CR
(E-CR glass: de silicato álcali-cal con menos de 1% peso/peso
de óxidos alcalinos, con alta resistencia a los ácidos), clase C
(C-glass: vidrio álcali-cal con alto contenido de óxido de boro,
usadas por ejemplo en fibras de vidrio con filamentos cortos),
clase D (D-glass: vidrio de borosilicato con una constate
dieléctrica alta), clase R (R-glass: vidrio de alumino silicatos
sin MgO ni CaO con altas prestaciones mecánicas) y la clase
S (S-glass: vidrio de alumino silicatos sin CaO pero con alto
contenido de MgO con alta resistencia a la tracción).
La fibra de vidrio útil para tejido tiene como base el compuesto
sílice, SiO2. En su forma pura el dióxido de silicio se comporta
como polímero (SiO2)n. Es decir, no tiene un punto de fusión
verdadero pero se suaviza a 1200 °C, punto en el que
comienza a descomponerse y a 1713 °C la mayoría de las
moléculas presentan libertad de movimiento. Si el vidrio ha
sido extruido y enfriado de forma rápida desde esta
temperatura, es imposible obtener una estructura
ordenada.4 En su estado de polímero se forman grupos de
SiO4que están configurados con estructura tetrahédrica con el
átomo de silicio en el centro, y cuatro átomos de oxígeno en
44
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
las puntas. Estos átomos luego forman una red de enlaces en
las esquinas que comparten los átomos de oxígeno.
Los estados vítreos y cristalinos de la sílice (vidrio y cuarzo)
tienen niveles energéticos similares en sus bases moleculares,
lo que implica que en su forma vidriosa es extremadamente
estable; en orden de reducir la cristalización, debe ser
calentado a temperaturas superiores a los 1200 °C por
períodos prolongados de tiempo.1
Estructura molecular teórica del vidrio
Aunque la sílice pura es perfectamente viable para hacer vidrio
y fibra de vidrio, debe ser procesada a temperaturas muy altas,
lo cual es un inconveniente a menos que sus propiedades
químicas específicas sean necesarias. Parecería inusual
introducir impurezas al vidrio, sin embargo añadir algunos
materiales contribuye a bajar su temperatura de trabajo; estos
materiales también añaden otras propiedades al vidrio que
pueden ser benéficas en aplicaciones diferentes. El primer tipo
de vidrio usado para hacer fibra fue el vidrio de cal sodada o el
vidrio Clase A, que no es muy resistente a compuestos
alcalinos; para corregir esto, un nuevo tipo conocido como
Clase E, se desarrolló como un vidrio de alumino-borosilicato
que es libre de elementos alcalinos (<2%);5 esta fue la primera
formulación de vidrio usada para la formación de filamentos. El
vidrio de clase E constituye aún la principal forma de
producción de fibra de vidrio y sus compuestos particulares
45
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
pueden tener ligeras variaciones que deben permanecer bajo
cierto rango. La letra E es usada debido a que se desarrolló
principalmente para aplicaciones eléctricas. El vidrio Clase S es
una formulación cuya característica principal es la alta
resistencia a la tracción y por lo mismo recibe su letra
(de tensile strength). El vidrio clase C fue desarrollado para
resistir el ataque químico, principalmente de ácidos que
destruirían un vidrio clase E (su letra proviene entonces
de chemical resistance).5 El vidrio de Clase T, es una variante
comercial de North American Fiberglass del vidrio de Clase C.
El vidrio Clase A es una referencia industrial para denominar al
vidrio reciclado, muchas veces de botellas, que se usa para
hacer lana de vidrio. La clase AR es un vidrio resistente a
compuestos alcalinos (AR de alkali-resistant). La mayoría de
las fibras de vidrio tienen una solubilidad limitada en agua pero
esto cambia en relación al pH. Los iones de cloruro también
pueden atacar y disolver superficies de vidrio Clase E.
El vidrio de clase E no puede derretirse realmente, pero a
cambio se suaviza, definiéndose su punto de ablandamiento
como "la temperatura a la que una fibra con un diámetro entre
0.55 y 0.77mm de 235mm de longitud, se alarga con su propia
carga a una rata de 1mm/min cuando está suspendida
verticalmente y se ha calentado a una tasa de 5 °C por
minuto".6 El punto de deformación se alcanza cuando el vidrio
tiene una viscosidad de 1014.5 poise. El punto de atenuación
(enfriamiento), que es la temperatura en la que las tensiones
internas se reducen a un límite comercialmente aceptable de
15 minutos, está determinado por una viscosidad de 1013
poise.6
La tensión del vidrio usualmente se comprueba y reporta para
fibras "vírgenes" o prístinas—aquellas que se acaban de
fabricar. Las fibras recién hechas, más delgadas, son las más
fuertes debido a que son más dúctiles. Cuanto más se raye su
46
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
superficie, menor será la tenacidad resultante. Debido a que el
vidrio presenta una estructura amorfa, sus propiedades son
isotrópicas, es decir, son las mismas a lo largo y ancho de la
fibra (a diferencia de la fibra de carbono, cuya estructura
molecular hace que sus propiedades sean diferentes a lo largo
y ancho, es decir, anisotropízas). La humedad es un factor
importante para la tensión de rotura; puede ser adsorbida
fácilmente y causar rupturas y defectos superficiales
microscópicos, disminuyendo la tenacidad.
A diferencia de la fibra de carbono, la de vidrio puede soportar
más alargamiento antes de romperse;4 existe una relación de
proporcionalidad entre el diámetro de doblez del filamento, al
diámetro del filamento en sí. La viscosidad del vidrio fundido es
muy importante para el éxito durante la fabricación; durante la
conformación (tirando del vidrio para reducir el espesor de la
fibra) la viscosidad debe ser relativamente baja; de ser muy
alta, la fibra se puede romper mientras se tira. Sin embargo, de
ser muy baja, el vidrio puede formar gotas en vez de
convertirse en filamentos útiles para hacer fibra.
Puente h:
El término "puente H" proviene de la típica representación
gráfica del circuito. Un puente H se construye con 4
interruptores (mecánicos o mediante transistores). Cuando los
interruptores S1 y S4 (ver primera figura) están cerrados (y S2
y S3 abiertos) se aplica una tensión positiva en el motor,
haciéndolo girar en un sentido. Abriendo los interruptores S1 y
S4 (y cerrando S2 y S3), el voltaje se invierte, permitiendo el
giro en sentido inverso del motor.
Con la nomenclatura que estamos usando, los interruptores S1
y S2 nunca podrán estar cerrados al mismo tiempo, porque
47
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
esto cortocircuitaría la fuente de tensión. Lo mismo sucede con
S3 y S4.
Como hemos dicho el puente H se usa para invertir el giro de
un motor, pero también puede usarse para frenarlo (de
manera brusca), al hacer un corto entre las bornas del motor,
o incluso puede usarse para permitir que el motor frene bajo
su propia inercia, cuando desconectamos el motor de la
fuente que lo alimenta. En el siguiente cuadro se resumen las
diferentes acciones.
S
1S2 S3 S4 Resultado
1 0 0 1 El motor gira en avance
0 1 1 0 El motor gira en retroceso
0 0 0 0 El motor se detiene bajo su inercia
1 0 1 0 El motor frena (fast-stop)
Joystik:
Una palanca de mando o joystick (del inglés joy, alegría,
y stick, palo) es un dispositivo de control de dos o tres ejes que
se usa desde una computadora o videoconsola hasta un
transbordador espacial, los nuevos aviones de transporte
como el Airbus A320 y los nuevos diseños de aviones de caza,
pasando por grúas de carga y porta contenedores, también
48
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
existen nuevos tractores y máquinas pesadas, que tienen
funciones especiales controlados por computadora.
Se suele diferenciar entre joysticks digitales (que leen cuatro
interruptores encendido/apagado en cruceta situada en la base
más sus combinaciones y los botones de acción) y los
analógicos (que usan potenciómetros para leer continuamente
el estado de cada eje, y además de botones de acción pueden
incorporar controles deslizantes), siendo estos últimos más
precisos.
Elementos de un joystick:o Mangoo Baseo Botón de disparoo Botones adicionaleso Interruptor de autodisparoo Palancao Botón direccionalo Ventosa
Bolaloca:
49
Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
D. Funcionamiento
El funcionamiento del circuito se basa en emitir una ráfaga de
señales luminosas infrarrojas las cuales al rebotar contra un
objeto cercano se reciben por otro componente. Al ser recibidas el
sistema detecta proximidad, con lo que el led de salida se
acciona.
El circuito integrado es un generador/decodificador de tonos.
Tanto el fotodiodo como el fototransistor deberán estar situados
con unidades de enfoque adecuadas para mejorar el alcance.
Con simples reflectores de LED's se pueden obtener alcances del
orden de pulgadas. Es conveniente sacrificar algo de rango pero
colocar filtros UV y SUNLIGHT los cuales no dejan entrar al
fototransistor (elemento receptor) los rayos del sol
VI. METODOLOGIA
A. Población y muestra
Al ver la problemática del transito, es una realidad que vivimos la
mayoria de la poblacion tiene problemas para desplazarce de un
punto a otro y el tiempo se ha incrementado paulatinamente, y
esto nos lleva a dar una solucion al igual a la poca consideracion
de los discapactados ya que en muchos casos el discapaditado
no tiene la importancia que debe tener, ya que son humanos y
tienen los mismos derechos y muchas veces hemos observado
maltrato y el proyecto quiere la inclusion y a la vez darles la ayuda
necesaria.
En las empresas, hay muchos riesgos en las cargas de productos
y en las actividades que el trabajador tiene a su cargo, si eso
implica riesgo y ademas si un trabajo demade mucho tiempo y
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
genere perdidas a la empresa se podria utilizar nuestra propuesta
así se evitaria accidentes y perdidas de vidas.
B. Diseño o técnica de observación
Una vez obtenida la teoría y definido el diseño de la investigación
es necesario definir las técnicas de recolección de datos , por
esta vez se utilizará el procedimiento de descripción y
observación se lleva a cabo cuando se pretende probar la
hipótesis que se dió, es decir cuando estamos realizando el
estudio o investigación es importante saber que vamos a
investigar, es decir se van recogiendo diversos datos que van
apareciendo y anotarlos si es necesario, la observación se lleva a
cabo cuando ya se conoce muy bien que es lo que se va a
estudiar.
Entonces antes de elegir el tema ya teniamos conocimientos
previos a ello, al escoger dicho tema, averiguamos y vimos el
procedimiento que debiamos seguir, desde la busqueda de
componentes hasta buscar la mejor teoria para ponerlo en
practica, como ya hay proyectos de este tipo, nos dimos la
libertad de ver cada uno de los proyectos que tenian quecon los
robots seguidores de linia,
C. Instrumentos Cautín de lapíz.
Pasta de soldar.
Placas de fibra de vidrio.
Pinzas de punta.
Pinzas de corte.
Soldadura.
Cable delgado para electrónica.
Kolaloka.
Encendedor.
Cloruro Ferrico.
Taladro.
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
Brocas
D. Técnicas de recolección de datos
Para la recoleccion de datos se utilizo el metodo cientifico:
Observación
Formulación de hipótesis
Experimentación
Emisión de conclusiones
E. Estudio piloto
a) Circuiteria: Conjunto de elementos físicos, ya sean
electrónicos, eléctricos o mecánicos, que forman parte de un
equipo electrico o electronico. En el caso de ordenadores se le
denomina hardware.
b) Diseño de circuito: El diseño de circuito pertenece a la rama
de la electrónica y estudia los diferentes métodos que se
utilizan para desarrollar un circuito electrónico, ya sea de
forma digital o analógica. El circuito integra una serie de
escalas que forman parte de los numerosos componentes de
este.
F. DESARROLLO CAPITULAR
El procedimiento que se seguirá es el siguiente:
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
a) Creacion de del software: La primera parte es crear el
programa del proyecto en el cual trabajara el circuito, esto se
quemara en nuestro pic y este tendra la informacion para el
correcto desarrollo del circuito
b) Creacion del circuito en protoboard: La segunda parte
consta de poner todos los instrumentos electronicos sobre un
protoborad y armar el circuito para ver si funciona.
c) Creación de las pistas del circuito sobre la placa fenolica. Sobre la placa fenólica y del lado donde se encuentra el cobre
se trazan las pistas según el circuito con un plumón negro.
Una vez hecho esto se vacía el cloruro férrico sobre un
recipiente donde se colocara la placa para poder obtener las
pistas grabadas en cobre.
d) Montar los componentes y soldar correctamente. Con la
placa fenolica correctamente grabada y totalmente seca y
libre de asperezas, se procede a montar los componentes uno
a uno y soldar correctamente.Se tiene que tener mucho
cuidado con al soldar ya que un error o distracción puede
traer serias consecuencias como posibles cortos o falsos.
e) Ajuste de motores y engranes. Los motores del proyecto se
ajustaran a los extremos de una lámina de metal que se
pegara a la placa principal. Ya que el proyecto o cada
instrumento para los discapacitados seran automatizados.
f) La parte de los sensores es la mas importante, se debe
tener en cuenta la distancia entre emisores y receptores, así
como la polaridad adecuada en base al circuito.Una vez
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
soldadas correctamente todas las piezas se debe colocar la
pila de 12Volts.
El Prototipo debe colocarse en un lugar plano asegurándose
de que los engranes de los motores toquen totalmente la
superficie así como los alambres que van en la parte frontal.
g) La elaboración de la pista. Esta es la parte más sencilla;
solo se utiliza cinta de aislar negra y papel cascaron y se
diseña un trayecto cerrado cualquiera.
G. ASPECTO ADMINISTRATIVO
Recursos humanos
En este proyecto los recursos humanos son 4 alumnos los cuales
estamos encargados el proyecto los cuales se reparten de la
siguien manera:
Arana,
Corrales,
Llamoca,
Mansilla,
Castañeda.9opikjlñnml
Recursos institucionales
La identidad que podria desarrolar este poyecto seria empresas
en general que deseen automatizarce, y además para la reforma
de transito, se verian incluido el ministerio de transportes y
telecomunicaiones ya la vez, constructoras que tomen a cargo el
proyecto.
Para referirnos de la ayuda a los discapacitados el proyecto
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
deberia ser llevado por el ministerio de la salud y ONG en general
que de este tipo de ayuda.
El espacio fisico para que el proyecto se lleve a cabo, en lo
empresarial, seria las instalaciones de la empresa, en la reforma
de transito vehicular seria, las vias de transito respectivamente,
asi mismo para la ayuda de discapcitados, serian las
instalaciones que por lo general los minusvalidos usan en su día a
día.
Presupuesto
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
MATERIAL PRECIO
10 RESISTENCIAS
1 POTENCIOMETRO
3 CAPACITORES
1 PULSADOR
1 PIC
1 ZOCALO
1 PANTALLA LCD
ESPADINES
1 PAR DE LLANTAS
3 SENSORES DE ULTRASONIDO
1 QUEMADOR DE PIC
1 PLACA FELOMONICA
FIBRA DE VIDRIO 20x20
1 PUENTE H
1 JOSTICK
1 BOLALOCA
1 CRISTALDE 4 HRZ
S/. 1.00
S/. 1.00
S/ 1.20
S/ 0.50
S/15.00
S/ 1.00
S/16.00
S/ 1.00
S/20.00
S/45.00
S/50.00
S/ 6.00
S/10.00
S/20.00
S/20.00
S/ 1.00
S/ 0.50
Un total de 209 soles con 20 centavos
Tiempo
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Proyecto de Física-Sensor de proximidad para discapacitados.
El tiempo aproximado para terminar el proyecto entre elegir el
tema, recolección de información, compra de componentes,
ensamblaje, pruebas, y si hay errores, el proyecto tendrá un
tiempo 2 meses aproximadamente, como se muestra en el
cronograma, ya que diversas actividades en los demas curnos
nos inposibilita en avanzar y culminar el proyecto.
H. CRONOGRAMA 20 de Mayo: Primer avance del informe sobre el poyecto
27 de Mayo: Segundo avance del informe sobre el proyecto
3 de Junio: Entrega del informe
17 de Junio: Primer avance de la encuesta
22 de Junio: Segundo avance de la encuesta
4 de Julio: Entrega de la encuesta
6 de Julio: Implementacion de la puesta masa
10 Julio: Implemantacion del software
15 julio : Implementacion del Hardware.
20 Julio: Entrega de proyecto culminado
I. BIBLIOGRAFIA
57
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http://www.opiron.com/portfolio/sensores-de-ultrasonidos-arduino-
opiron/
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