Objetivo

En el presente proyecto tiene como objetivo el elaborar un carrito que tenga la capacidad de moverse hacia atrás y hacia adelante al detectar algún obstáculo, sea este un muro, hoja de papel o alguna superficie plana y uniforme ubicada a 10 cm de distancia,

Introducción

En el presente trabajo se pretende aplicar todos los conocimientos vistos en clase a lo largo del curso de Fundamentos de Electrónica y aplicarlos en un proyecto donde se demuestren las competencias adquiridas sobre cada tema implementándolas de manera sinérgica en el funcionamiento de un carrito que por medio de sensores infrarrojos detecta un obstáculo a 10 cm de distancia cambiando el sentido de giro del motor que es controlado por un puente H.

En el proyecto se utilizaron varios circuitos, cada una correspondiente a distintas funciones del carrito, a continuación se menciona cada etapa de manera general:

1.Etapa de los sensores, compuestos por un fotodiodo de radiación infrarroja y un fototransistor,

2.Etapa de amplificación compuesta por un amplificador usado como comparador en su configuración de tipo ventana.

3. Etapa de potencia compuesta por un transistor que nos proporcione la corriente suficiente para activar el el sentido de giro del puente H.

4. Etapa de control de los motores. Comprendida por el puente H.

5. Adicionalmente consideramos como una etapa más como la etapa de alimentación correspondiente a la fuente que alimentará a todas las demás etapas del proyecto.

FUNCIONAMIENTO

A continuación se muestra el diagrama de bloques del proyecto de las etapas previamente mencionadas.

De manera general el funcionamiento del proyecto se resume de la manera siguiente:

El fotodiodo colocado en uno de los extremos del carrito de acuerdo a las hojas de especificaciones, emite una radiación infrarroja de longitud de onda a pico de λp=940nm, cuando dicha radiación incide sobre una superficie lo bastante cercana, una parte de esta se refleja sobre el fototransistor que esta colocado exactamente a lado del fotodiodo por lo que este se activa y manda una una señal pasa a una etapa de comparación en este caso es un AO como comparador configurado como detector tipo ventana, si el valor de la señal de entrada se encuentra entre las tensiones de referencias entonces a la salida se obtendrá una tensión igual al voltaje con la que se alimente a este, sin embargo la señal que se obtenga a la salida de este ultimo circuito carecerá de la corriente requerida por el puente H por lo que tendrá que pasar por una etapa más en la se obtenga la corriente necesaria, una vez obtenida la tensión y la corriente necesaria esta logrará a activar las bases de un par de transistores del puente H por con lo que finalmente ocasionará el movimiento del motor, ergo del carrito en general.

Sensores

Amplificador

Comparador tipo

ventana

Etapa de

PotenciaPuente H

Fuente de Alimentación

A continuación se explica el análisis y diseño de cada una de las etapas:

DISEÑO DEL CARRITO

1. Sensores

Para esta etapa se consideró la utilización de sensores infrarrojos se utilizaron el IR331C[1] (transmisor) y el PT 331C (receptor)[2] los cuales operan a una longitud de onda a pico de a pico de λp=940nm de, a continuación se presentan los diagramas de los circuitos que implementamos:

Diagrama 1. Circuitos utilizados como transmisor y receptor de la señal.

En este caso para el emisor propusimos Vcc =5v; debido a que las hojas de datos nos indican que para obtener una de λp =940nm en corriente directa necesitamos una intensidad de 20mA por lo tanto, obtenemos la resistencia que necesitamos:

Pero al no ser un valor comercial, se opto por colocar un resistor de 220Ω.

Igualmente para el receptor propusimos Vcc =5v, en este caso, para que Vce se encuentre en la región de saturación, nos indican que Ic debe de ser igual a 20mA, por lo tanto, obtenemos el valor de R2 siendo este:

De la misma manera al no existir este valor comercial se optó por usar una resistencia de 2.2kΩ.

Para R2 nos marca que Ie debe de ser de 10μA por lo tanto:

Una vez obtenidos los valores con los que trabajarían tanto el fotodiodo como el fototransistor, se procedio a realizar las pruebas de calibración de los sensores, para la distancia requerida, en este caso 10 cm, para esto se utilizaron diversas variaciones geométricas correspondientes a la posición que tendrían un sensor respecto al otro, después de algunas pruebas con triángulos con cada uno de los sensores en dos de sus vértices se llego a la conclusión de que la mejor opción sería utilizarlos de manera que quedaran alineados paralelamente uno al lado del otro recubriendo el fototransistor con una capa de cinta de aislar para que de esta manera al momento de que la radiación infrarroja incidiese sobre alguna superficie reflectante , la cantidad de energía luminosa percibida por el fototransistor sería la mayor posible ya que esto nos eliminaría errores en el calculo y precisión en la colocación de los transistores a un ángulo determinado dentro de un triangulo.

Se realizaron varias pruebas variando la distancia de la superficie donde la luz infrarroja se reflejaba a continuación se muestra el promedio de los datos obtenidos en 3 distintas mediciones del voltaje en Vsal que es el que corresponde a la salida hacia la siguiente etapa:

Voltajes obtenidos con respecto a la distancia en que se coloco la superficie reflectante.

Para una mejor apreciación de los datos se graficaron como se muestra en la siguiente gráfica:

Gráfica de los datos obtenidos de voltaje contra discantica.

De esta manera se puede apreciar que cuando la distancia es muy pequeña (menor a 10 cm) la variación de los voltajes es muy pequeña, sin embargo una vez pasada esta distancia el comportamiento de la tensión con respecto al tiempo cambia radicalmente a una recta de pendiente mayor, debido a que la distancia a la que nosotros queremos que haya un cambio son los 10 cm podemos despreciar los datos detrás del voltaje correspondiente a esta distancia y establecer nuestro parámetro de 4.18v a 4.83v, estos datos los debemos de tomar muy en cuenta ya que son de vital importancia para la siguiente etapa.

0 2 4 6 8 10 12 14 16

0

1

2

3

4

5

6

Voltaje vs distancia

Distancia(cm)

Vo

ltaje

(v)

2. Amplificación

En esta etapa una vez obtenida una señal de los sensores se compara con valores definidos por nosotros en este caso son los valores en que la distancia al objeto x ≤10cm que sería los valores comprendidos en el conjunto de [4.18v,4.83v], para esto se optó por usar un circuito comparador implementado en una configuración tipo ventana utilizando el AO comparador LM339[3] debido a que es un circuito especializado en la implementación como comparador[4].

Este es el diagrama del circuito utilizado:

Diagrama del comparador de ventana

En este caso Ve1 y Ve2 son los voltajes de referencias que para razones prácticas los redondeamos a 4.8V y 4.2V , en este caso el comparador de ventana funciona bajo el principio de que si V2e<Vent<Ve1 entonces Vsal=Vcc; Vent en este caso el el voltaje que se recibe del sensor, Vsal es el voltaje que ira a las bases de los transistores en el puente H y por lo tanto el que controlara el giro por lo tanto Vcc debera ser el valor que requerimos en la entrada del motor en este caso Vcc=10, la razón de este voltaje se explicará mas adelante, en la etapa del puente H.

Los voltajes Ve1 y Ve2 son proporcionados por divisores de tensión:

y

3. Potencia

Una de las desventajas de utilizar el AO LM339 es que a la salida la máxima corriente que nos puede entregar son 60mA y nosotros necesitamos más si queremos activar el puente H, por lo tanto optamos por usar una etapa de amplificación con un transistor 2N222[5] ya que este nos proporciona la corriente necesaria para lo que necesitamos.

4. Puente H.

Para la etapa del control del movimiento del carrito primero buscamos el motor mas adecuado después de considerar que el peso que cargaría sería muy poco y la velocidad que debería de llevar no sería mucho, entonces optamos por usar un motorreductor[6] con las siguientes características:

Características a 5Vdc:- Torque 4.6 KgF*cm.- Velocidad 30 RPM.- Consumo de corriente sin carga: 80 mA.- Consumo de corriente atrancado: 600mA.

Por lo tanto de acuerdo las corrientes manejadas por nuestro motor que son se decidió utilizar para el puente H transisotres 2N222

Diagrama del puente H utilizado

Así de la ecuación 1 podemos determinar Vcc:

De las ecuaciones 2 y tres podemos obtener lo siguiente:

sustituyendo los valores que conocemos obtenemos entonces:

y

De aquí podemos ver que si queremos que se cumplan ambas ecuaciones al mismo tiempo Vaa no puede tomar cualquier valor como en un principio pudiese parecer ya que si es el mismo valor para ambas en algunos casos Rbq4 quedaría negativa, así optamos por tabular y elegir el valor mas adecuado para Vaa.

Como se puede ver para valores menores a 9v RBQ4 es negativa, tomamos nosotros un valor de Vaa igual a 10v y redondeamos los valores de RBQ3 a 150Ω y RBQ4 lo tomamos como 50Ω.

Bibliografía:

1. http://www.datasheetarchive.com/IR333%2FH0-datasheet.html

2. http://html.alldatasheet.com/html-pdf/143323/ETC1/PT333/94/1/PT333.html

3. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/texasinstruments/lm339.pdf

4. www.ie.itcr.ac.cr/marin/lic/el3212/Libro/Tema9.pdf

5. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/motorola/2N222.pdf

6. http://www.robodacta.mx/ index.phpdispatch=products.view&product_id=30337