Perro lazarillo electrónico. Desarrollo de...

Perro lazarillo electrónico. Desarrollo de placa

TITULACIÓN: Ingeniería Técnica Industrial especialidad Electrónica Industrial.

AUTOR: Esteban Lara Espinosa.

DIRECTOR: Enrique F. Cantó Navarro. PONENT: Jordi Compte García.

DATA: 05/2011.

Preámbulo:

Este Proyecto Final de Carrera se acoge a la normativa de confidencialidad puesto que contiene información confidencial y privada. El proyecto Final de Carrera contiene dos versiones la íntegra y la censurada, Esta usted en posesión de la reducida. La entidad poseedora de esta información:

SmartOxide S.L. Sello/Firma: NIF/CIF: B43985886 Administrador: Jordi Compte García Domicilio: Av. Països Catalans num 18., Tarragona (Tarragona) CP: 43007 Teléfono: 647714782 Correo electrónico: [email protected]

Persona física autora y poseedora de esta información:

Esteban Lara Espinosa Sello/Firma: NIF/CIF: 39930555‐W Administrador: Esteban Lara Espinosa Domicilio: Urb. Sant Antoni parcela 34, Alforja (Tarragona) CP: 43365 Teléfono: 680365941 Correo electrónico: [email protected]

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Índice General




DATA: 05/2011.

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1. Índice General…………………………………………………………….2

2. Memoria descriptiva………………………………………..…………….5 2.1. Antecedentes………………………………………………………………………7

2.2. Estudio sobre los ultrasonidos……………………………………………………8

2.3. Diseño del sistema emisor-receptor ultrasónico………………..………..…….11

2.3.1. Diseño de la emisión………………………………………………………11

2.3.2. Diseño del circuito receptor……………………………………………….11

2.4. Cambios de hardware………………………………………………….………...14

2.4.1. Configuración del reloj del sistema………………………………………17

2.4.2. Oscilador R/C……………………………………..…………….…………18

2.5. Decisiones finales de diseño………………………………………..……....…….21

2.5.1. Circuito emisor-receptor definitivo………………………………….……21

2.5.2. Circuitería del uPIC………………………………………………….……21

2.6. Implementación del firmware………………………………………..………….22

2.6.1. Interrupciones…………………………………..…………………………22

2.6.2. Función de menú………………………………………………………….24

2.7. Pruebas de ensayo…………………………………………………….……..……28

2.8. Conclusiones y proyecciones de futuro………………………….…………….30

3. Memoria de Cálculo………………………………………..…………31

3.1. Configuración del reloj del sistema……………………………….……………33

3.2. Selección del transformador IFT………………….………………….…………33

3.3. Cálculo del pre-amplificador…………………………………………….………35

3.4. Cálculo de la potencia a necesitar……………………………………........…….36

4. Esquemáticos………………………………………...………………….45

4.1. Plano1, Sonar Emisor-Receptor…………………………………………………47

4.2. Plano2, Placa uPIC de comunicaciones………………………………..…….…48

4.3. Placa PCB de Sonar…………………………………………………………...….49

4.4. Placa PCB de Microcontrolador……………………………………..………….50

5. Presupuesto……………………………………………………….……..42

5.1. Presupuesto General……………………………………………………………44

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6. Anexos…………………………………………….…………………..…45

6.1. Código………………………………………………….…………………………47

6.2. Hojas de Datos……………………………………….…………………………..48

6.2.1. Sonar Module IC PW-0268…………………………………………….…..48

6.2.2. Transductor 400PT160………………………………..………..………….62

6.2.3. Otras hojas de datos de interés……………………………………………63

6.3. Documentos con entidad propia………………………………….…………….63

6.4. Programas utilizados…………………………………………..………………..63

6.5. Bibliografia web consultada………………………………………….………….63

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Memoria Descriptiva




DATA: 05/2011.

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7. Memoria descriptiva………………………………………..…………….5 7.1. Antecedentes………………………………………………………………………7

7.2. Estudio sobre los ultrasonidos……………………………………………………8

7.3. Diseño del sistema emisor-receptor ultrasónico………………..………..…….11

7.3.1. Diseño de la emisión………………………………………………………11

7.3.2. Diseño del circuito receptor……………………………………………….11

7.4. Cambios de hardware………………………………………………….………...14

7.4.1. Configuración del reloj del sistema………………………………………17

7.4.2. Oscilador R/C……………………………………..…………….…………18

7.5. Decisiones finales de diseño………………………………………..……....…….21

7.5.1. Circuito emisor-receptor definitivo………………………………….……21

7.5.2. Circuitería del uPIC………………………………………………….……21

7.6. Implementación del firmware………………………………………..………….22

7.6.1. Interrupciones…………………………………..…………………………22

7.6.2. Función de menú………………………………………………………….24

7.7. Pruebas de ensayo…………………………………………………….……..……28

7.8. Conclusiones y proyecciones de futuro………………………….…………….30

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2.1. Antecedentes.

Con el fin de encontrar un remedio o una ayuda a la comunidad invidente, en la historia se ha investigado mucho y se han inventado algunos aparatos, entre todos ellos, el más relevante actualmente es CASBliP. Este dispositivo es capaz de procesar la imagen, captada por unas cámaras colocadas en cada hombro del individuo, en un ordenador portátil y transforma la imagen en sonido de tal manera que narra los obstáculos que se van visualizando, no obstante este es un prototipo pesado e incomodo ya que es necesaria la incorporación de cámaras, unas gafas de infrarrojos, y un portátil para realizar el procesado de imágenes y audio. A todo esto se le suma el alto coste de elaboración.

Con el prototipo de cinturón guía ultrasónico para invidentes se pretende diseñar un dispositivo mucho más cómodo y adaptable al cuerpo del ser humano a modo de cinturón o algo similar, de reducido peso y de bajo coste. El dispositivo debe ser capaz de medir la distancia de cada objeto cercano y frontal al sujeto invidente cubriendo un ángulo de aproximadamente 180 grados en relación a la totalidad de los sensores utilizados. Siendo capaz de distinguir la altura de dicho obstáculo y dirección en la que se encuentra, discriminando entre frontal, lateral izquierdo y lateral derecho. El alcance del prototipo cubriría desde 0.5 a 3 metros de distancia según lo necesario. Dos posibles posicionamientos de los sensores en el usuario podrían ser los siguientes, cubriendo el área mostrada:

[Imagen eliminada por confidencial referente a la posición ideal de los sensores en el cuerpo]

Figura 1: Propuesta de posicionado de los sensores. 2 opciones.

Con esta combinación se pretende detectar tanto escaleras de subida como de bajada tanto así como obstáculos suspendidos a la altura de la cabeza. Esta combinación podría no ser definitiva pero es la idea principal que se estudia en este proyecto.

El aviso al sujeto podría ser, o bien una serie de sonidos emitidos por el cinturón, o una manera más recomendable seria mediante un chaleco vibratorio ya que se considera que el oído es un órgano sensitivo imprescindible para el invidente, con lo que utilizar acústica mermaría su capacidad sensitiva principal, de ahí la idea de utilizar vibración.

El diseño del prototipo fue motivado cursando prácticas en empresa para SmarOxide S.L. donde se realizó la primera versión del prototipo. Por lo tanto este es un proyecto protegido y con información confidencial.

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2.2. Estudio sobre ultrasonidos.

Partiendo de la necesidad de emitir un ultrasonido y esperar la recepción de este mediante dos transductores distintos se ha buscado un modelo adecuado para la tarea mirando que tenga un ángulo de detección enfocado (45º-55º) para poder dirigirlos adecuadamente diferenciando así la dirección en la que se encuentra el obstáculo. Por otro lado se hace necesario la adquisición de unos transductores emisores con un buen SPL (Sound Pressure Level) y unos receptores con un buen nivel de RS (Receiver Sensitivity).

Por otro lado se ha considerado la posibilidad de utilizar transceptores, que son transductores que nos permiten la emisión-recepción en un mismo piezoeléctrico, pero requieren de 1.2 ms entre emisión y recepción de ultrasonido ya que al emitir se producen unas vibraciones que tardan en desaparecer. Si tenemos en consideración que las ondas ultrasónicas viajan a 343 m/s (velocidad del sonido en el aire a 20 ºC), obviaremos 0.4 m de distancia mínima entre emisión-recepción, si tenemos en cuenta que la emisión-recepción será mediante un rebote sabemos que la distancia mínima de detección de un obstáculo será 0.2 m.

El precio de estos transceptores ronda los 6 € la unidad con lo que se ahorraría dinero y espacio en el prototipo ya que no harían falta 2 dispositivos por cada emisión-recepción.

‐ Direccionalidad.

La tecnología del ultrasonido está basada en la emisión-recepción de un sonido que vibra a mayor frecuencia de la que percibe el ser humano, es decir, es un sonido que no oimos ya que está por encima del umbral de detección de nuestro sentido auditivo.

Los transductores ultrasónicos están hechos de un disco piezoeléctrico que al hacerlo vibrar a una frecuencia determinada (entre los 20 y 60 kHz) emite sonido a esa misma frecuencia, este sonido es después recibido por otro piezoeléctrico que al vibrar con el sonido emite una señal senoidal de la misma frecuencia.

Figura 2: Direccionalidad de un transductor.

En la Figura 2 se muestra un ejemplo típico de la potencia transmitida según la dirección de la onda propagada (en caso de emisor) o la sensibilidad del receptor respecto a la dirección de donde proviene la onda recibida (en caso de receptor).

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El alcance de estos dispositivos es muy variado y depende mucho de las condiciones del aire de manera que si hay mucha humedad en el ambiente la distancia de detección se verá mermada, de la misma manera si hay mucha polución en el aire, y más aun por la frecuencia de trabajo de estos (Ver Figura 2). No obstante elegir transductores a muy baja frecuencia nos percutiría en el ángulo de transmisión-recepción volviéndolo así más disperso a más bajas frecuencias, por lo que deberemos escoger una frecuencia intermedia.

‐ Sensibilidad.

Después de mirar el ángulo de trabajo de estos transductores y ver la importancia de la frecuencia de transmisión sobre alcance de los transductores nos queda saber interpretar las características que nos proporciona cada fabricante y poder aplicarlas a nuestro interés sabiendo así si nos van a cubrir una distancia considerable, si vamos a tratar tensiones muy pequeñas o por el contrario muy grandes.

Lo primero es calcular el SPL (Sound Pressure Level) que va a recibir el receptor aplicando una tensión determinada al transmisor y colocando el receptor a cierta distancia, este dato se consigue a partir del Transmiting Sound Pressure Level que se muestra en dB junto con la tensión y la distancia entre transductores T/R (por ejemplo: at 40.0Khz; 0dB re 0.0002 μbar per 10 Vrms at 30 cm) esto quiere decir que si colocamos transmisor y receptor a 30 cm de distancia y aplicamos al emisor 10 Vrms (VDC) obtendremos 0 dB de SPL en receptor.

A este dato le tendremos que aplicar la correlación de transmitir:

‐ A más tensión:

(1)

‐ A más distancia:

Perdida de SPL por distancia de recepción:

(2)

-Por otro lado le tenemos que restar el dato proporcionado en la Figura 3 donde se muestra el coeficiente de absorción según la frecuencia utilizada y la distancia a la que se pretende medir el ultrasonido:

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Figura 3: Ábaco de coeficiente de absorción.

Absorción de onda:

(3)

Así tendremos que la SPL recibida a 6 m de distancia y emitida a 20 Vrms a 40 kHz es de:

(4)

Por otro lado nos proporcionan la RS (Receiving Sesitivity), también en dB, que nos indica la sensibilidad de recepción que tiene el dispositivo receptor. En nuestro caso -65 dB.

Ahora debemos transformar esos dB en unidades de presión para poder calcular que tensión recibiremos en el dispositivo receptor.

SPL:

(5)

RS:

(6)

Tensión generada:

(7)

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Por lo tanto estaremos recibiendo en el dispositivo receptor si este está encarado al emisor el cual está transmitiendo a 20 Vrms. Teniendo en cuenta que el prototipo consta de transmisores/receptores situados en el mismo lugar y no encarados tendremos que tener en cuenta el rebote de la onda, que dicho de otra manera tendremos que contar con el doble de distancia de la que se pretende detectar el obstáculo, es decir si necesitamos detectar algún obstáculo a 5 m deberíamos realizar los cálculos anteriores como si los dispositivos estuvieran encarados a 10 m de distancia. No obstante, detectar obstáculos a una distancia entre 3-4 metros se supone más que suficiente para que el sujeto pueda reaccionar.

Como conclusión a la recerca se ha optado por utilizar el modelo 400ST/R160 de PROWAVE. Su precio en el mercado es de aproximadamente 5 € el transductor y actualmente se sigue fabricando lo que nos facilitara su adquisición. Su homólogo en transceptor es el 400PT160 que de momento no lo descartaremos puesto que es una muy buena opción para desarrollar el prototipo.

2.3. Diseño del sistema emisor-receptor ultrasónico.

Se pretende diseñar el sistema multiplexado de emisión y recepción ultrasónica de tal manera que el diagrama de bloques sería el siguiente:

[Imagen eliminada por confidencial referente al diagrama funcional de bloques]

Figura 4: Diagrama de bloques del sistema.

2.3.1. Diseño de la emisión.

Partiendo de los conocimientos teóricos adquiridos mediante el estudio de los transductores y haciendo uso del datasheet del producto diseñamos la etapa de transmisión de ultrasonido, de manera que mediante el uPIC se pueda programar un PWM de 40 kHz de frecuencia intermitente de manera que cada cierto tiempo se envié una ráfaga para realizar la detección. Hay que tener en cuenta que el dispositivo puede funcionar hasta con 20 Vrms por lo tanto programaremos el PWM con el uPIC de manera que en la salida colocaremos un transistor en configuración amplificador para obtener estos 20 Vrms de transmisión. Teniendo en cuenta que la circuitería se alimentará a Vcc=10 V la transmisión PWM se realizara a 10 Vpp así conseguiremos hacer la emisión ultrasónica con mayor potencia y conseguir así una mayor distancia de emisión.

2.3.2. Diseño del circuito receptor.

Partiendo de la base teórica de que el dispositivo receptor genera una onda senoidal de amplitud variable y de 40 kHz de frecuencia cuando su membrana es golpeada por las ondas ultrasónicas a esta misma frecuencia, sabemos que cualquier señal recibida 5 kHz por encima o por debajo de 40 kHz no nos interesará ya que mas que información nos aportara ruido. Por lo tanto se necesitara un filtro pasa-banda a 40 kHz fc.

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Por otro lado esa señal recibida del transductor es del orden de los mV con lo que necesitaremos un pre-amplificador preferiblemente de ganancia variable para poder realizar pruebas.

Una vez filtrada la señal y amplificada utilizaremos un detector de pico para mantener a estado alto la señal cuando se reciba.

Y para terminar de limpiar esta señal se utilizara un comparador con histéresis Trigger Schmitt para hacer variar la señal de estado alto (5 V) a estado bajo (0 V).

Respecto a los componentes a utilizar en el diseño del circuito receptor tendremos que pensar en algo que no consuma mucha potencia, y que pueda ser alimentado a 5 o 10 V ya que el sistema estará alimentado a baterías. Las 4 etapas antes mencionadas requerirán de 1 amplificador operacional cada una por lo que empezaremos por este componente.

Para empezar se ha optado por buscar amplificadores operacionales single-supply que nos permiten alimentarlos a una única tensión positiva +5,+10,+12, etc. Estos A.O. son muy útiles para circuitos electrónicos alimentados a baterías pero requieren de una tensión de referencia entre Vcc y masa cuando trabajan en modo lineal ya que si no se utilizara esta tensión de referencia toda la información por debajo de los 0 V de masa se saturaría a esa misma tensión, es decir, solo nos quedaríamos con la parte positiva de la señal, para arreglar esto, en nuestro caso se ha colocado un diodo zener de 2.5 V en la alimentación para así poder utilizar una tensión constante y estable como referencia.

‐ Recepción: Diseño de la etapa pre-amplificadora.

Una vez hecha la emisión tenemos que esperar la recepción de los ultrasonidos y tratarlos con el uPIC para medir el tiempo que han tardado en rebotar y por lo tanto la distancia a la que se encuentra el objeto.

Para realizar correctamente la medida tendremos que transformar la señal recibida en un pulso de 5 Vp continuo para así poder informar al uPIC de que se ha recibido el rebote. Para conseguir este objetivo comenzaremos por una etapa pre-amplificadora para amplificar los pocos mV que podamos recibir a un rango más accesible para la circuitería. Para eso utilizaremos un A.O. en configuración no inversor para amplificar la señal en un rango de 0 dB a 40 dB. Utilizando un potenciómetro para variar la ganancia.

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Figura 5: Pre-amplificador y filtro pasa banda (primera versión).

Seguidamente se aplica el filtro pasa-banda para eliminar o atenuar estas frecuencias que no nos interesan, como la frecuencia que necesitamos es única (40 kHz) utilizaremos una configuración de filtro con cero al origen y doble polo en 40 kHz. Por otra parte se obtiene una ganancia constante de 20 dB en esta etapa, así estaremos consiguiendo un rango de amplificación de 0 dB a 60 dB de la señal generada por el receptor.

Figura 6: Diagrama de Bode del filtro pasa banda.

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‐ Recepción: Diseño de detector de pico y comparador.

Una vez filtrada y amplificada la señal necesitaremos transformar esa señal senoidal en un pulso de 0 a 5V para informar al PIC que se ha recibido el ultrasonido, para conseguir esto se ha decidido utilizar un detector de pico que nos mantendrá la señal a una tensión más o menos constante (por encima de 4 V), pero con un rizado de tensión que podría provocarnos daños en el PIC por lo que se ha decidido colocar un comparador con histéresis trigger schmitt para transformar esta señal con rizado a una señal fija de 0 a 5 V.

Figura 7: Detector de pico y comparador Schmitt.

2.4. Cambios de hardware.

Se han realizado pruebas en el laboratorio a fin de comprobar la correcta funcionalidad del diseño llegando a la conclusión de que es necesaria la implementación de un amplificador operacional de ganancia variable con el tiempo, a fin de que la ganancia no sea constantemente de 60 dB si no que varié de un valor bastante más inferior a un valor mayor en función del tiempo que tarde la onda en rebotar.

Figura 8: Ultrasonic Sonar Ranging PW‐0268

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Viendo la necesidad de una nueva implementación del circuito y buscando en la página del fabricante de sensores ProWave hemos descubierto un dispositivo integrado que añadiéndole algunos componentes externos de bajo coste se consiguen los resultados necesarios, el integrado es el PW0268:

- Tensión de alimentación 6 - 12 Vdc. - Frecuencia de operación a la salida: hasta 250 kHz. - Potente Amplificador de ganancia variable: hasta 32 pasos. - Filtro pasa-banda integrado. - I_O pin bidireccional. - Reloj del sistema configurable. - El PW-0268 es apto para sistemas de automoción, toma de distancias y otras aplicaciones.

Aun siendo esto un replanteamiento total del proyecto, creemos que es una buena decisión ya que utilizando este integrado se ahorraría mucho espacio y coste del prototipo además de permitir fácilmente la utilización de transceptores.

El diagrama de bloques del integrado es el siguiente:

Figura 9: Diagrama de bloques del CI PW-0268.

El PW-0268 está diseñado de tal manera que, aplicándole un pulso a estado bajo en I_O (1), cuyo pin está a estado alto (9 V) inicialmente, este genera una ráfaga por el pin Driver_O (11) a frecuencia determinada por el oscilador R/C y de duración respectiva al ancho del pulso en I_O (1). Por otro lado también es capaz de recibir el rebote de la emisión de los ultrasonidos ya que dispone de un pre-amplificador, un amplificador de ganancia fija, un amplificador de ganancia variable con el tiempo (TCG), filtro paso bajo y filtro paso alto. Si hacemos una selección adecuada de los componentes resistivos y capacitativos adjuntos al C.I. PW0268 conseguiremos que la señal sinusoidal que genera el transductor ultrasónico provoque un pulso a estado bajo en I_O (1) permitiendo al microcontrolador detectar que el rebote de la onda ha sido recibido.

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Figura 10: Señales emitidas por el PW‐0268

Vemos como excitando al PW-0268 con un pulso generamos un PWM en el pin 11 y provocamos la oscilación del transductor y esperamos hasta recibir la vuelta de la onda convertida en un pulso a estado bajo.

El fabricante aconseja el siguiente circuito para dispositivos instalados en coches, no obstante nos sirve como buena referencia para explicar el funcionamiento de este integrado:

Figura 11: Circuito del data sheet del PW-0268.

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El regulador de 4V nos proporciona una tensión regulada para la circuitería interna del integrado y una tensión de referencia de 0.44 Vreg (aprox. 1.9 V) la cual se utilizará como referencia para el circuito periférico al integrado PW0268.

2.4.1. Configuración del reloj del sistema.

El reloj del sistema configura la frecuencia en la que el TCG aumenta su ganancia, la duración máxima del tren de pulsos y el tiempo mínimo entre ráfagas.

Para la configuración del TCG nos basaremos en la gráfica proporcionada por el datasheet del PW0268.

Figura 12: Ábaco de la ganancia en dB del TGC.

Sabiendo esto seleccionaremos la frecuencia necesaria del sistema teniendo en cuenta que se pretenden medir distancias de hasta 3 m (el doble contando ida y vuelta de la onda, 6m) y fijando la velocidad del sonido a 343 m/s a 20 ºC.

[Texto eliminado por confidencial referente a la frecuéncia ideal configurada para el amplificador de ganáncia variable.]

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2.4.2. Oscilador R/C.

El oscilador R/C para los ultrasonidos nos configurará la frecuencia del tren de pulsos, 40 kH es lo que buscamos así que este será configurado para dicha frecuencia. El pin Ftrace (11) está destinado a compensar los cambios de temperatura en el oscilador R/C de tal manera que el cambio de tensión en Ftrace (11) varía en proporción de la tensión de los diodos D1 y D2. Este cambio es a causa del coeficiente negativo de temperatura de los diodos y el circuito resistivo asociado R2/R3. A menos temperatura se incrementa la tensión a través de los diodos, esto internamente controla el oscilador R/C incrementando la frecuencia de resonancia en Drive_O y disminuyendo la frecuencia de resonancia para cambios de temperatura positivos. Esto haría que nuestro prototipo sea menos sensible a la temperatura ambiente, punto esencial a tener en cuenta ya que el sistema está pensado para utilizarse al aire libre todos los días del año. No obstante y para evitar incongruencias no utilizaremos este reajuste automático de la frecuencia de resonancia ya que esta primera versión del prototipo es puramente experimental.

[Texto eliminado por confidencial referente a la ganáncia del pre-amplificador configurada .]

[Imagen eliminada por confidencial referente al circuito pre-amplificador simulado.]

Figura 13: Simulación del circuito pre-amplificador.

Si simulamos, vemos como sí configura un filtro paso alto con FC a 40 kHz donde los – 3dB los consideraremos despreciables:

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Figura 14: Bode del circuito pre-amplificador.

El fabricante aconseja que para el filtro pasa banda se utilicen dos configuraciones Sallen-key, una para frecuencias bajas y otra para altas, ambas con la frecuencia de corte a 40 kHz. Se han cogido los valores propuestos por el fabricante y se han simulado con amplificadores operacionales ideales para obtener la representación del diagrama de Bode y verificar que efectivamente configuran un filtro pasa-banda de 40 kHz. El circuito ideal es el siguiente:

Figura 15: Simulación ideal del filtro pasa banda del CI.

Donde se pueden ver claramente las entradas LP_I (5), LP_O (4), HP_I (3) y HP_O (2), el diagrama de bode para la configuración propuesta por el fabricante es el siguiente:

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Figura 16: Diagrama de Bode del filtro pasa banda del CI.

Vemos como la frecuencia de corte es de aproximadamente 40 kHz con un ancho de banda de 20 kHz. Con esto nos aseguramos de que la configuración propuesta por el fabricante es la adecuada y podemos utilizarla para nuestro diseño.

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2.5. Decisiones finales de diseño. 2.5.1. Circuito emisor-receptor definitivo.

[Imagen eliminada por confidencial referente al diseño final montado.]

Figura 17: Paca de emisión-recepción ultrasonidos

Una vez explicado un poco el funcionamiento y las prestaciones del circuito integrado de ProWave presentaremos nuestro siguiente diseño intentando ajustarnos lo más posible a la propuesta del fabricante ya que solo así aseguramos un buen funcionamiento del sistema.

Se pretende que el diseño sea económico y ocupe el menos espacio posible por lo tanto se ha tenido en cuenta la posibilidad de utilizar 8 sensores mediante un solo integrado PW0268.

[Texto eliminado por confidencial referente a las decisiones finales de diseño, donde se nombran componentes utilizados.]

2.5.2. Circuitería del uPIC.

[Imagen eliminada por confidencial referente al circuito final montado del uPIC y sus conexiones de comunicación]

Figura 18: Circuitería del PIC.

He decidido utilizar el PIC16F876 porque es un micro que permite la depuración mediante ICD2, no es demasiado grande para mi proyecto y ya lo había utilizado antes en una optativa con lo que familiarizarme con él no supondrá un esfuerzo añadido.

[Texto eliminado por confidencial referente a las decisiones finales de diseño, donde se describe la metodología a utilizar a la hora de implementar un código en el PIC, nombrando timers, puertos a utilizar y métodos para reducir el consumo energético.]

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‐ Comunicación por el puerto serie:

Para hacer posible la comunicación del uPIC con el PC de tal manera que se pueda crear una sencilla interfaz de usuario para configurar fácilmente los tiempos y ver en tiempo real la distancia que está midiendo cada sensor, se va a utilizar la comunicación por el puerto serie mediante conexión RS-232. Para poder realizarla se ha utilizado un ST232 para transformar las tensiones de T/R de 5 V del uPIC a los 12 V que requiere el puerto serie. Se ha pensado en la colocación de un puerto serie con la intención de poder conectar un modulo bluethoot en un futuro para así poder establecer comunicación inalámbrica con cualquier otro dispositivo sonoro para avisar al sujeto.

2.6. Implementación del firmware.

Para poder llevar a cabo el testeo de los 8 sensores que compondrán el prototipo se ha tenido que generar un pequeño código que haga posible la selección de cada uno de los sensores individualmente para hacer la medida o bien poner en prueba la totalidad del prototipo.

Inicialmente se empezó programando en lenguaje ensamblador ya que nos permitía tener un control casi exacto del tiempo de ejecución para tenerlo en cuenta a la hora de emitir y recibir, pero, en versiones más actuales del firmware se decidió programar en C ya que así se simplificaría en gran medida la ejecución de bucles y permitiría una mejor comprensión de cara a cualquier modificación futura.

2.6.1. Interrupciones.

[Texto eliminado por confidencial referente a las decisiones finales de diseño, donde se describe la estructura del programa mencionando timers, interrupciones, tiempos y puertos a utilizar.]

///////////************INTERRUPCIONES***********////////////// ///////////**CÓDIGO ELIMINADO POR CONFIDENCIAL**//////////////

[Texto eliminado por confidencial referente a las decisiones finales de diseño, donde se describe la solucion a un problema encontrado a la hora de difierenciar entre medir distáncias muy largas y muy cortas.]

Para verlo más claramente adjunto una imagen de osciloscopio.

[Imagen eliminada por confidencial referente a decisiones finales de diseño donde visualizamos un síntoma que nos hace diferenciar entre tener el obstáculo léjos o el obstáculo cerca.]

Figura 19: Tiempo de inicialización del TCG sin solapamiento.

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[Texto eliminado por confidencial referente a las decisiones finales de diseño, donde se describe la solucion a un problema encontrado a la hora de difierenciar entre medir distáncias muy largas y muy cortas.]

[Imagen eliminada por confidencial referente a decisiones finales de diseño donde visualizamos un síntoma que nos hace diferenciar entre tener el obstáculo léjos o el obstáculo cerca.]

Figura 20: Tiempo de inicialización del TCG con solapamiento.

2.6.2. Función de menú.

Se ha implementado un menú sencillo para poder seleccionar si trabajar con un sensor

únicamente o con la totalidad del sistema. A continuación muestro una captura de pantalla.

Figura 21: Captura del menú.

A continuación el código del menú:

///////////**CÓDIGO ELIMINADO POR CONFIDENCIAL**//////////////

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2.7. Pruebas de ensayo. Para comprobar que nuestro diseño funciona y será, en un futuro, viable como

instrumento de apoyo para invidentes se han realizado pruebas de ensayo en el laboratorio para verificar el alcance de estos sensores tanto así como su direccionalidad y su eficacia a la hora de detectar obstáculos. Para realizar las pruebas correctamente nos basaremos en la direccionalidad de los sensores escogidos según el fabricante.

Figura 22: Direccionalidad del 400PT160.

Vemos como es bastante discriminatorio en cuanto a direccionalidad, cubriendo algo más de 60 grados por sensor.

Para poder llevar a cabo la tarea se ha improvisado una aproximación de lo que podría ser el cinturón guía numerando los sensores para identificarlos:

Figura 23: Maqueta del cinturón.

Para poder utilizar los sensores deberemos empezar por calibrar tanto la frecuencia de oscilación mediante el potenciómetro en el oscilador RC como la inductancia de cada uno de los transformadores IFT para obtener cuanto menos resonancia como sea posible, para

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eso empleamos el osciloscopio y con el destornillador variamos primeramente la frecuencia de oscilación.

Figura 24: Calibración de la placa.

Vamos testeando sensor por sensor y calibrando para obtener en la media de lo posible la menor resonancia.

Una vez calibrados buscamos un buen punto donde fijar nuestra maqueta improvisada del cinturón y nos disponemos a hacer las medidas.

Partiendo de los datos iniciales proporcionados por las distancias en reposo desde donde se van a hacer las capturas:

Figura 25: Distancias iniciales

Veremos cómo reacciona nuestro prototipo a los siguientes obstáculos.

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‐ Escalón.

Se ha improvisado un escalón de 10 cm en el laboratorio y se ha expuesto para realizar la prueba.

Figura 26: Prueba del escalón.

Se coloca un obstáculo del tamaño de un escalón para ser detectado por los sensores 3 y 4, acto seguido se ejecuta el programa y se obtienen las distancias obtenidas.

Figura 27: Distancia obtenida con escalón.

A juzgar por la diferencia entre las distancias iniciales de los sensores 3 y 4 podemos afirmar que el escalón se detecta con exactitud apreciando los 25 cm aproximados de diferencia entre medidas.

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‐ Extintor:

Utilizamos el extintor a modo de obstáculo entre rodillas y cintura, vemos como a distancia lejana es detectado por el sensor 7 ubicado en la cintura. Conforme se va acercando el extintor al cinturón, el sensor 7 pierde contacto mientras los sensores 3 y 4 se empiezan a ver afectados por el extintor.

Figura 28: Pruebas con el extintor.

Figura 29: Distancias obtenidas con el extintor

Vemos como sí calcula con exactitud la distancia a la que está el extintor de la misma manera que conforme acercamos el obstáculo, la señal en sensor 7 se pierde y en sensor 3 y sensor 4 se presenta.

Se ejecutan las mismas pruebas pero para sensores laterales llegando a la conclusión anterior.

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‐ Pared.

Se coloca una plancha de papel pluma para simular un obstáculo plano como una pared o un muro.

Figura 30: Pruebas con plancha a modo de pared.

Sin duda la plancha de papel pluma es mas detectable, llegando a afectar a la totalidad de los sensores horizontales tanto así como a los que apuntan al suelo.

Figura 31: Medidas con plancha de cartón pluma. Vemos como la pared afecta a la totalidad de los sensores sin que haya ningún

solapamiento entre señales ni medidas erróneas.

Por último se utiliza la silueta de una persona para ver cómo reaccionan los sensores obteniendo resultados satisfactorios. Las personas son detectadas en un principio por los sensores horizontales y conforme la persona se va acercando los demás sensores del cinturón empiezan a detectar presencia.

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Efectivamente podemos verificar que sí se detectan objetos a la altura de la cabeza, consiguiendo así que objetos y/o personas de altura normal puedan ser detectados y tratados como tal diferenciando de muros bajos, niños y otro tipo de objetos hasta un poco menos de la altura de la cintura.

Sobre el rango de medida en que puede trabajar nuestro cinturón guía es desde 0.5 m hasta 3.5 m aproximadamente. El problema con el que nos hemos topado a la hora de implementar el prototipo puramente con sensores ultrasónicos es la incertidumbre cuando no se detecta el rebote del ultrasonido si es a causa de estar por encima o por debajo del rango de distancia. Esto se ha arreglado notablemente mediante código consiguiendo unos resultados excelentes.

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2.8. Conclusiones y proyecciones de futuro.

Como conclusiones, mencionar que al principio la idea de desarrollar este prototipo me parecía descabellada y demasiado problemática ya que estos transductores ultrasónicos son muy propensos a no funcionar como debieran si no se dan unas condiciones ambientales adecuadas, además del problema que pueden llegar a tener con los rebotes contra esquinas, inclinaciones descendentes demasiado pronunciadas entre otros contras.

A pesar de todo esto el prototipo lo he ido desarrollando utilizando métodos analógicos para convertir la señal recibida en digital. Esto me ha permitido exprimir al máximo mis conocimientos sobre circuitos analógicos y filtros adquiridos durante la carrera y me ha obligado a aprender buscar los componentes necesarios, teniendo en cuenta muchas propiedades de los amplificadores operacionales que hay en el mercado que posiblemente antes habría pasado por alto.

A todo esto y después de haber desarrollado mi primer diseño decidí rehacer mi proyecto como algo más profesional y real ya que el primer diseño no me servía para medir distancias largas, a esto, sumándole el alto coste de los amplificadores operacionales y el alto consumo del prototipo no parecía algo muy viable.

Con el nuevo diseño se ha conseguido la posibilidad de poder medir rangos de distancias muy extensos, en nuestro caso desde apenas los 40 cm de distancia hasta los 3.5 metros. El prototipo experimental puede trabajar con la totalidad de sus 8 sensores sin peligro a solapamientos entre señales. Detecta objetos a nivel del suelo, cintura y cabeza cubriendo un área de casi 180 º de direccionalidad con un radio de 3.5 m en frente del sujeto.

La implementación del diseño de la placa del sonar separada de la placa del PIC permite una modificación de esta sin la necesidad de cambiar la otra. Respecto a la placa del microcontrolador la comunicación por puerto serié permite en un futuro la conexión de algún dispositivo bluetooth para transmitir datos bien al PC para realizar modificaciones del programa o bien a un dispositivo sonoro que porte el usuario a modo de auricular para avisar sobre los obstáculos.

En cuanto a mejoras del prototipo, comentar lo mencionado antes sobre la incorporación de un dispositivo bluetooth, por otro lado opino que se podría rediseñar la placa para conseguir un tamaño bastante más reducido (hasta un 50% aprox.) ya que pese a los transformadores y condensadores electrolíticos todos los componentes se pueden conseguir en formato SMD. También se podría mejorar el consumo al substituir el regulador del PIC por fuentes conmutadas. Y como seguridad para el prototipo cambiar los transductores por otros de encapsulado cubierto ya que los de encapsulado de rejilla son vulnerables al agua y el polvo.

En definitiva considero este proyecto un trabajo bien hecho ya que como trabajo experimental hemos obtenido resultados muy buenos. En cuanto al sistema se refiere no descarto una posible comercialización del producto si se realizan las mejoras antes mencionadas y el desarrollo de un software en condiciones.

Como realización personal y profesional ha sido un gran trabajo y estoy muy contento de los resultados.

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Memoria de Cálculo




DATA: 05/2011.

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3. Memoria de Cálculo………………………………………..…………31

3.1. Configuración del reloj del sistema……………………………….……………33

3.2. Selección del transformador IFT………………….………………….…………33

3.3. Cálculo del pre-amplificador…………………………………………….………35

3.4. Cálculo de la potencia a necesitar……………………………………........…….36

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3.1. Configuración del reloj del sistema:

[Imagen eliminada por confidencial referente al cálculo de la frecuéncia del reloj del sistema, donde se concluyen valores de componentes y la frecuéncia ideal a utilizar, se ha suprimido tambien una imagen donde figura ua frecuéncia de reloj inferior, esto se ha achacado a que las medidas en osciloscópio se hicieron con la pila medio desgastada y se ha pasado por alto puesto que el sistema no se verá afectádo.]

3.2. Selección del transformador IFT.

En la página web oficial de ProWave podemos encontrar un documento donde nos proporciona que transformador debemos utilizar para cada modelo de transductor utilizado, por desgracia en este no se encuentra nuestro transductor por lo que deberemos calcular su reactancia paralela para saber que transformador utilizar, para eso nos basaremos en el modelo circuital del transductor.

Figura 32: Modelo de impedancia del transductor.

Cd: Capacidad de bloqueo, medida a frecuencia alejada de la frecuencia de resonancia, esta se aproxima a la capacidad estática.

Ls: Inductancia equivalente (8)

Cs: Capacidad equivalente

(9)

Rs: Impedancia real a la frecuencia de resonancia.

Para el transductor 400PT160 tenemos los siguientes valores según la gráfica proporcionada:

33

Figura 33: Ábaco de la impedáncia y fase.

Impedancia (Z∟Ɵ) a la frecuencia de resonancia de 39.0 kHz es de 900∟-46.5º.

[Texto eliminado por confidencial donde se calculan reactáncias y se decide que transofrmador IFT utilizar.]

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3.3. Cálculo del pre-amplificador.

Para escoger los valores adecuados para el pre-amplificador tendremos que calcular primero, qué tensión vamos a tener en el transductor a la distancia máxima.

Para eso recurriremos a la hoja de datos técnica de los transductores.

Transmitting Sound Pressure Level (SPL) = 117 dB. 0 dB re 0.0002 µbar per 10 Vrm a 30 cm.

Receiving Sensitivity (RS) = -65 dB. a 40 kHz 0 dB=1 V/ µbar

Center Freqüency = 40.0±1.0 kHz.

Max. Driving Voltage (con.) = 20 Vrms (100 Vpp @20 ráfagas cada 25 ms).

‐ Primeramente determinamos el SPL al transmitir a 20 Vrms hacia 3.5 m lo que serian 7 metros en total (ida-vuelta).

‐ Miramos el coeficiente de absorción en el ábaco proporcionado en la figura 3 y calculamos la absorción de la onda.

Así tendremos que la SPL recibida a 7 m de distancia y emitida a 20 Vrms a 40 kHz es de:

Ahora debemos transformar esos dB en unidades de presión para poder calcular que tensión recibiremos en el dispositivo receptor.

SPL:

RS:

Tensión generada:

35

[Texto eliminado por confidencial donde se razona sobre la ganáncia que diponemos y qué ganáncia deberemos configurar en el pre-amplificador.]

[Cálculos eliminados por confidencial donde se calculan valores definitivos para el diseño del pre-amplificador.]

3.4. Cálculo de la potencia a necesitar.

Para saber a ciencia cierta si nuestro diseño será capaz de tener una autonomía de al menos 4 horas necesitaremos saber el consumo lo más aproximado posible de nuestra placa ya que aunque hemos tenido especial cuidado a la hora de escoger los componentes mirando que no consuman excesiva energía tenemos que certificar esa autonomía.

‐ Consumo en reposo

Consultando data sheets de los diversos componentes encontramos que el 16F876 consume:

Figura 34: Consumo del PIC

En alimentación, alrededor de los 1.6 mA.

Sus puertos están conectados a los multiplexores los cuales según los datasheets no consumen mucho más que 40 uA con lo que consideraremos el consumo del puerto que configura los multiplexores un consumo de aproximadamente y calculando a la alza 0.2 mA.

El bit que activa el transistor MMBT4401.

Figura 35: Transistor emisor

A todo esto consideraremos un consumo del PIC de 2 mA aproximadamente (10 mW).

36

El regulador de tensión de 5 V tiene en su salida un led en serie con una resistencia de 1 kΩ considerando el led ideal estaremos consumiendo solo por esto unos 5 mA. (también cabe mencionar que este led podría substituirse por uno de bajo consumo.

Por la parte del integrado PW-0268 tendremos que.

Figura 36: Consumo del PW‐0268

Por otro lado el ST232 consume.

Figura 37: Consumo ST232

Sumando los consumos obtenemos alrededor de los 25 mA en reposo considerando sin pérdidas el circuito. Lo que son 0.225 W.

Esta autonomía podría disminuir notablemente si sumamos los consumos de transmisión-recepción de datos mediante el puerto serié y los consumos de cada transformador en uso durante la transmisión.

‐ Consumo en activo.

Para el cálculo aproximado de los transductores en conducción se ha mirado la potencia que produce el primario del transformador y se ha considerado ideal este.

37

Figura 38: Circuito emisor transformador IFT

Mossfet ON:

Considerando los 8 que hay como si fueran uno solo ya que si no emite uno estará emitiendo otro, y considerando a la alza también que el tiempo de conducción de cada mossfet será de la mitad del PWM (250 us).

Por otro lado los consumos del puerto serié en funcionamiento.

Figura 39: Consumos del puerto série

Vemos como el puerto serié y el tiempo de emisión nos puede afectar en gran medida al consumo con lo que se tendrá que tener en cuenta para modificaciones futuras.

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Esquemáticos




DATA: 05/2011.

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4. Esquemáticos………………………………………...………………….39

4.1. Plano1, Sonar Emisor-Receptor……………………………...………………….41

4.2. Plano2, Placa uPIC de comunicaciones………………………..……….….……41

4.3. Placa PCB de Sonar………………………………..…………………….…...…..41

4.4. Placa PCB de Microcontrolador……………………………………..………….41

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[Esquemáticos eliminados que hacen referéncia al diseño final del circuito emisor-receptor, el PIC y sus diseños PCBs respectivos.]

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Presupuesto




DATA: 05/2011.

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5. Presupuesto……………………………………………………….……..42

5.1. Presupuesto General……………………………………………………………44

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5.1. Presupuesto General. A continuación se muestra el presupuesto del coste del prototipo. Haciendo especial

aprecio a los componentes más caros y despreciando los costes de componentes pasivos como resistencias y condensadores ya que se consideran de un valor despreciable en comparación con el coste del prototipo.

[Presupuesto eliminado por confidencial donde figuran elementos que forman parte de la decisiones finales de diseño.]

Suponiendo una producción del dispositivo en masa rebajaríamos el precio hasta obtener unos 50-60 € de precio de coste por prototipo con lo que el precio a la venta llegaría a ser bastante más accesible para el usuario.

Todos los precios han sido revisados y actualizados de la web de Farnell y RS-

Electrónics anexadas en el documento básico que les pertenece.

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Anexos




DATA: 05/2011.

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6. Anexos………………………………………………………………..…45

6.1. Código…………………………………………………………………………47

6.2. Hojas de Datos………………………………………………………………..48

6.2.1. Sonar Module IC PW-0268………………………………………….…..48

6.2.2. Transductor 400PT160………………………………………..………….62

6.2.3. Otras hojas de datos de interés……………………………………………63

6.3. Documentos con entidad propia…………………………………………….63

6.4. Programas utilizados………………………………………………………..63

6.5. Bibliografia web consultada…………………………………….………….63

46

6.1. Código fuente:

///////////**CÓDIGO ELIMINADO POR CONFIDENCIAL**//////////////

47

6.2. Hojas de Datos.

6.2.1. Sonar module IC PW-0268:

48

6.2.2. Transductor 400PT160.

62

6.2.3. Otras hojas de datos consultadas de interés:

‐ Microcontrolador PIC16F876.

http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/30292c.pdf

‐ Multiplexor analógico CD4051.

http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/120/109150_DS.pdf

‐ Diodos pequeña señal BAV99.

http://www.fairchildsemi.com/ds/BA/BAV99.pdf

‐ Transistor Mossfet BSS123.

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/BSS123.pdf

‐ Transistor Bipolar MMBT4401.


‐ Regulador lineal LM7805,


‐ Driver ST232.


6.3. Estudios con entidad propia.

‐ Circuito equivalente de la impedancia de un transductor.

http://www.prowave.com.tw/english/item/qa.htm

‐ Notas de aplicación de Pro-Wave.


6.4. Programas utilizados.

-Se han utilizado los siguientes programas: OrCAD PsPICE 16.0 Desarrollo del prototipo y simulaciones. OrCAD Layout Plus 16.0 Diseño e impresión de placa PCB. MPLAB IDE 8.56 Programación del prototipo. AutoCAD 2011 Diseño de posicionamiento de sensores.

6.5. Bibliografia web consultada. http://www.farnell.com/ http://es.rs-online.com/web/home.html http://www.prowave.com.tw/index.htm

63

http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/30292c.pdf

http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/120/109150_DS.pdf

http://www.fairchildsemi.com/ds/BA/BAV99.pdf







http://www.farnell.com/

http://es.rs-online.com/web/home.html

http://www.prowave.com.tw/index.htm

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