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i
UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA La Universidad Católica de Loja
C
ÁREA TÉCNICA
TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES
Diseño del bloque de identificación electrónica de fichas tipo LEGO en un
panel concebido para la enseñanza de operaciones matemáticas básicas a
niños con capacidades visuales diferentes
TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN
AUTOR: Jaramillo Valdivieso, José Vicente.
DIRECTOR: Jaramillo Pacheco, Jorge Luis, Ing.
LOJA – ECUADOR
2015
ii
APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN
Ingeniero.
Jorge Luis Jaramillo Pacheco
DOCENTE DE LA TITULACIÓN
De mi consideración:
El presente trabajo de fin de titulación: “Diseño electrónico de un panel diseñado para la
enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales
diferentes." realizado por Jaramillo Valdivieso José Vicente, ha sido orientado y revisado
durante su ejecución, por cuanto se aprueba la presentación del mismo.
Loja, Abril de 2015
f) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iii
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS
“Yo Jaramillo Valdivieso José Vicente, declaro ser autor del presente trabajo de fin de
Titulación: “Diseño del bloque de identificación electrónica de fichas tipo LEGO en un panel
concebido para la enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades
visuales diferentes", de la Titulación de Ingeniería en Electrónica y Telecomunicaciones,
siendo Jorge Luis Jaramillo Pacheco, Ing. director del presente trabajo; y eximo
expresamente a la Universidad Técnica Particular de Loja y a sus representantes legales de
posibles reclamos o acciones legales. Además certifico que las ideas, conceptos,
procedimientos y resultados vertidos en el presente trabajo investigativo, son de mi
exclusiva responsabilidad.
Adicionalmente declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 88 del Estatuto Orgánico de
la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente textualmente dice:
“Forman parte del patrimonio de la Universidad la propiedad intelectual de investigaciones,
trabajos científicos o técnicos y tesis de grado o trabajos de titulación que se realicen con el
apoyo financiero, académico o institucional (operativo) de la Universidad”
f.............................................................. Autor: Jaramillo Valdivieso José Vicente
Cédula 1104451073
iv
DEDICATORIA
El presente trabajo se lo dedico a Dios, que me día a día me ha brindado la sabiduría e
inteligencia para poder cumplir con mis proyectos de vida. A mis padres, por transmitirme la
fe hacia Dios, por brindarme su apoyo incondicional y, por alentarme a siempre seguir
adelante. A mis hermanos, que, con su ejemplo, han influenciado en mí el ser una mejor
persona. A mis amigos, que siempre estuvieron cuando los necesité.
José Vicente
v
AGRADECIMIENTO
Quiero agradecer a Dios por darme la gracia de vivir esta experiencia a su lado, por darme
la fuerza para cumplir todos los retos a lo largo de esta carrera. A mis padres por ser la
fuente de consejos y de fortaleza para tomar las mejores decisiones a lo largo de mi vida.
Quiero dejar mi más sincero agradecimiento al Ing. Jorge Luis Jaramillo, que no solo en este
trabajo, sino, durante toda la carrera, me brindó su apoyo, interés y dedicación.
También quiero agradecer a todos los docentes que fueron parte de mi formación
profesional, ya que cada uno de ellos, supo aportar intelectual y moralmente al tipo de
persona que seré en mi vida profesional.
Por último quiero agradecer a mis compañeros de aula y amigos por compartir tantos
momentos de felicidad conmigo.
José Vicente Jaramillo Valdivieso
vi
TABLA DE CONTENIDOS
APROBACIÓN DEL DIRECTOR DEL TRABAJO DE FIN DE TITULACIÓN .......................... ii
DECLARACIÓN DE AUTORÍA Y CESIÓN DE DERECHOS .................................................. iii
DEDICATORIA ..................................................................................................................... iv
AGRADECIMIENTO .............................................................................................................. v
TABLA DE CONTENIDOS .................................................................................................... vi
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................ viii
LISTA DE TABLAS ................................................................................................................ x
RESUMEN ............................................................................................................................. 1
ABSTRACT ........................................................................................................................... 2
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 3
CAPÍTULO 1 .......................................................................................................................... 4
1. A MANERA DE RESUMEN DEL PROCESO DE IDENTIFICACIÓN DE OPCIONES DE OPTIMIZACIÓN, Y, SOBRE LA CONCEPTUALIZACIÓN DEL NUEVO PANEL ELECTRÓNICO ..................................................................................................................... 4
1.1. Opciones tecnológicas disponibles para la optimización del panel ......................... 5
1.2. Requerimientos generales ..................................................................................... 7
1.3. Funcionalidades del panel ..................................................................................... 7
1.4. Sobre las fichas a utilizar ...................................................................................... 9
1.5. Sobre la planificación del diseño del prototipo del panel ...................................... 10
CAPÍTULO 2 ........................................................................................................................ 11
2. DISEÑO DEL BLOQUE DE IDENTIFICACIÓN ELECTRÓNICA DE FICHAS ............... 11
2.1. Diseño conceptual del bloque de identificación electrónica de las fichas del panel ..
........................................................................................................................ 12
2.1.1. Sobre la metodología de conceptualización .................................................. 12
2.1.2. Sobre la utilización de pulsadores para la identificación de fichas ................. 12
2.1.3. Sobre el uso de contactos para la identificación de fichas............................. 13
2.1.4. Sobre la aplicación de resistores para la identificación de fichas .................. 14
2.1.5. Sobre el uso de sensores infrarrojos para la identificación de fichas ............. 15
2.1.6. Análisis comparativo de las opciones tecnológicas para la identificación de
fichas ................................................................................................................ 15
2.2. Diseño electrónico del bloque de identificación de las fichas del panel ................ 16
2.2.1. Sobre la metodología de diseño .................................................................... 16
2.2.2. Definición de requerimientos de diseño ......................................................... 16
vii
2.2.3. Diseño lógico de circuitos electrónicos .......................................................... 16
2.3. Cálculo de componentes del circuito .................................................................... 19
2.4. Evaluación de desempeño del circuito ................................................................. 21
CAPÍTULO 3 ........................................................................................................................ 23
3. INGENIERÍA DE DETALLE E IMPLEMENTACIÓN DEL BLOQUE DE IDENTIFICACIÓN ELECTRÓNICA DE FICHAS ............................................................................................... 23
3.1. Metodología de abordaje ..................................................................................... 24
3.2. Identificación de pendientes ................................................................................. 24
3.3. Ingeniería de pendientes...................................................................................... 24
3.3.1. Ingeniería del módulo de audio ..................................................................... 24
3.3.2. Ingeniería del módulo de señales luminosas ................................................. 27
3.3.3. Ingeniería del módulo de alimentación y carga ............................................. 29
3.4. Diseño mecánico del panel .................................................................................. 31
3.4.1. Diseño de cubierta y circuitos impresos ........................................................ 31
3.4.2. Diseño de la estrategia de ensamblaje .......................................................... 33
3.4.3. Construcción de tarjetas electrónicas ............................................................ 34
3.5. Pruebas preliminares de funcionamiento ............................................................. 36
CONCLUSIONES ................................................................................................................ 39
BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................................... 40
ANEXOS .............................................................................................................................. 42
viii
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Versión original del panel electrónico implementado para enseñanza de
operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales especiales. ................. 5
Figura 1.2 Opción seleccionada para la optimización del panel electrónico implementado
para enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales
especiales. ............................................................................................................................. 6
Figura 1.3 Tablero del panel electrónico optimizado. ............................................................. 7
Figura 1.4 Vista superior y lateral izquierda del tablero. ......................................................... 8
Figura 1.5 Vista general del tablero y de las fichas. ............................................................. 9
Figura 1.6 Diseño de ficha con los cilindros significativos para la codificación Braille sin perfil
redondeado y con el número arábigo impreso en alto relieve. ............................................. 10
Figura 2.1 Ubicación de los pulsadores en el tablero de trabajo del panel electrónico. ........ 12
Figura 2.2 Activación de los pulsadores al colocar las fichas sobre el tablero de trabajo del
panel electrónico. ................................................................................................................. 13
Figura 2.3 Pistas conductoras sobre el tablero de trabajo del panel electrónico. ................. 13
Figura 2.4 Activación de las pistas conductoras al colocar las fichas sobre el tablero de
trabajo del panel electrónico. ............................................................................................... 14
Figura 2.5 Empleo de resistores internos para identificación de las fichas sobre el tablero de
trabajo del panel electrónico. ............................................................................................... 14
Figura 2.6 Utilización de sensores infrarrojos para la identificación de las fichas sobre el
tablero de trabajo del panel electrónico. .............................................................................. 15
Figura 2.7 Identificación de las variables a considerar en el diseño lógico de los circuitos
electrónicos de identificación de fichas en el panel. ............................................................. 17
Figura 2.8 Esquema del circuito de emisor / receptor infrarrojo propuesto para determinar los
equivalentes decimales y operaciones de los estados binarios de cada una de las variables.
............................................................................................................................................ 19
Figura 2.9 Relación entre la corriente en el colector de los transistores del esquema del
circuito emisor / receptor infrarrojo, y, la distancia entre los sensores y la superficie
refractaria. ........................................................................................................................... 20
Figura 2.10 Esquema interruptor del circuito de emisor / receptor infrarrojo propuesto para
determinar los equivalentes decimales y operaciones de los estados binarios de cada una de
las variables. ........................................................................................................................ 21
Figura 2.11 Variación del voltaje a la salida del sensor, en función de la distancia entre el
sensor y una superficie reflectaría. ...................................................................................... 22
Figura 2.12 Variación del voltaje a la salida del sensor, en función de la distancia entre el
sensor y una superficie no reflectaría. ................................................................................. 22
ix
Figura 3.1 Esquema de conversión de una señal PWM a una analógica. ............................ 25
Figura 3.2 Circuito de audio propuesto para el panel. .......................................................... 25
Figura 3.3 Arreglos propuestos para la señalización luminosa. ............................................ 27
Figura 3.4 Esquema de conexión de diodos en el circuito de señales luminosas. ................ 28
Figura 3.5 Esquema electrónico del circuito de alimentación y carga. ................................. 30
Figura 3.6 Diseño físico de la cubierta del panel .................................................................. 31
Figura 3.7 Circuito impreso de operación y señales luminosas del panel. ............................ 32
Figura 3.8 Circuito impreso de alimentación y carga, y señales de audio del panel. ............ 32
Figura 3.9 Segmentación de la cubierta en cuatro segmentos para impresión 3D. .............. 33
Figura 3.10 Estrategia de ensamblaje del panel. ................................................................. 33
Figura 3.11 Fijación de las tarjetas electrónicas en el panel. .............................................. 34
Figura 3.12 Aislamiento electrónico y mecánico de las tarjetas en el panel. ........................ 34
Figura 3.13 Circuito impreso en papel termo-transferencia a laser. ..................................... 35
Figura 3.14 Circuito grabado en placa de cobre PCB. ......................................................... 35
Figura 3.15 Circuito impreso en placa de cobre PCB. .......................................................... 36
Figura 3.16 Tarjeta de operación y señales luminosas del panel terminada. ....................... 36
Figura 3.17 Operatividad de los arreglos de LEDs del módulo de señales luminosas. ......... 37
Figura 3.18 Ficha de prueba para el bloque de identificación electrónica. ........................... 38
x
LISTA DE TABLAS
Tabla 1.1 Análisis comparativo de las opciones presentadas. ............................................... 6
Tabla 2.1 Análisis comparativo de las opciones tecnológicas para la identificación electrónica
de las fichas. ........................................................................................................................ 15
Tabla 2.2 Características técnicas del sensor infrarrojo del sensor CNY70. ........................ 18
Tabla 2.3 Equivalentes decimales y operacionales de los estados binarios de los sensores.
............................................................................................................................................ 18
Tabla 2.4 Características técnicas del transistor TIP31c. ..................................................... 18
Tabla 3.1 Características técnicas del dinámico EVL SP-328. ............................................. 26
Tabla 3.2 Características técnicas del transistor TIP31c. ..................................................... 26
Tabla 3.3 Características eléctricas del diodo led de alto brillo rojo y verde de 5mm RC301-
05, GC451-03. ..................................................................................................................... 27
Tabla 3.4 Características técnicas del transistor 2N2222. .................................................... 28
Tabla 3.5 Características técnicas del limitador de corriente LM317. ................................... 30
Tabla 3.6 Características técnicas del regulador de voltaje 7805. ........................................ 30
Tabla 3.7 Características técnicas de la batería GP Ni-MH 60AAM3BMU. .......................... 30
Tabla 3.8 Resumen de características de resistores. ........................................................... 30
1
RESUMEN
En este trabajo, se describe los resultados obtenidos al diseñar el bloque de
identificación electrónica de fichas tipo LEGO, para un panel electrónico concebido para la
enseñanza de operaciones matemáticas básicas, a niños con capacidades visuales
diferentes.
PALABRAS CLAVES: enseñanza de matemáticas, niños con capacidad visual
diferente, fichas tipo LEGO.
2
ABSTRACT
This paper shows the results of the design of an electronic identification block for
LEGO chips for an electronic panel designed to teach basic math to children with different
visual capabilities.
KEYWORDS: mathematics education, children with different visual capabilities, LEGO type
chips.
3
INTRODUCCIÓN
En septiembre 2013, la Sección de Diseño, Proyectos Arquitectónicos y Urbanismo del
Departamento de Arquitectura y Artes, solicitó a la Sección de Electrónica y
Telecomunicaciones (SET) del Departamento de Ciencias de la Computación y Electrónica
(DCCE), de la Universidad Técnica Particular de Loja, el apoyo en el diseño e
implementación de un panel electrónico para la enseñanza de operaciones matemáticas
básicas a niños con capacidades visuales especiales. Como resultado, se desarrolló el
panel electrónico mostrado en la Figura 1.1, y descrito en [1]. La posterior evaluación de
desempeño del panel mostró que, este cumple con las especificaciones funcionales, pero
presenta problemas operativos, especialmente en relación a la manipulación de fichas.
En marzo 2014, los investigadores responsables solicitaron nuevamente apoyo a la SET del
DCCE, para optimizar el panel original. Identificados los problemas existentes, se seleccionó
la solución óptima para superarlos, y se conceptualizó un nuevo panel electrónico.
En septiembre de 2014, se inició el proceso de diseño e implementación del nuevo panel.
En este trabajo, dividido en 3 capítulos, se recoge los resultados obtenidos en el diseño del
bloque de reconocimiento electrónico de fichas a utilizar en el nuevo panel. En el primer
capítulo se presenta, a manera de resumen, los resultados obtenidos al analizar diversas
opciones tecnológicas para la optimización del panel original, y, se muestra los resultados
obtenidos en la fase de conceptualización de un nuevo panel, y el tipo de fichas a utilizar.
En el segundo capítulo se describe los resultados obtenidos en la etapa de diseño del
bloque de identificación electrónica de fichas tipo LEGO.
Finalmente, en el capítulo 3 se explica los resultados obtenidos en la etapa de ingeniería de
detalle e implementación del bloque de identificación electrónica tipo LEGO.
4
CAPÍTULO 1
1. A MANERA DE RESUMEN DEL PROCESO DE IDENTIFICACIÓN DE OPCIONES DE
OPTIMIZACIÓN, Y, SOBRE LA CONCEPTUALIZACIÓN DEL NUEVO PANEL
ELECTRÓNICO
5
1.1. Opciones tecnológicas disponibles para la optimización del panel
En función de los resultados de la evaluación del panel original, descrito en [1], por el grupo
beneficiario, se identificó las necesidades de optimización: disminución del volumen y peso
de las fichas, integración de identificadores decimales y en código Braille, reducción del
desgaste de contactos en el circuito impreso; y, diversificación del uso de colores.
Figura 1.1 Versión original del panel electrónico implementado para enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales especiales.
Fuente:http://memorias.utpl.edu.ec/sites/default/files/docum
entacion/arte2013/utpl-diseno-material-didactico-matematico.pdf
Identificadas las necesidades de optimización, se conformó grupos de trabajo, a cada uno
de los cuales se le encargó la formulación de una propuesta tecnológica de optimización. Se
presentaron 6 propuestas de optimización (ver Tabla 1.1), entre las cuales se seleccionó la
opción óptima: diseñar un nuevo panel electrónico que incluya el concepto de fichas tipo
LEGO (ver Figura 1.2). La utilización de fichas tipo LEGO apunta a reducir el desgaste
prematuro de contactos en los circuitos impresos, y, ampliar las posibilidades futuras del
panel. Se propone el uso de un tablero y diversas fichas (números y operaciones
matemáticas). Las piezas se colocan en el tablero, siguiendo una orden establecido (primer
operando, segundo operando, operación, solución, y, comprobación).
6
Tabla 1.1 Análisis comparativo de las opciones presentadas. Opción Ventajas Desventajas
Reparación del panel
original
Elementos no móviles
Se puede verificar qué pulsadores están activados
No se puede activar 2 pulsadores
simultáneamente
Desgaste prematuro
Sistema mecánico
complejo
Gran tamaño
Diseño de un tablero
en forma de oso Elementos no móviles
Desgaste prematuro
Sistema mecánico
complejo
Utilización de
aritmética con dados Desgaste limitado Operación compleja
Diseño de un panel de operación
aleatoria Desgaste limitado Operación compleja
Aplicación de
sudoku braille Desgaste limitado
Sistema complejo
Operación compleja
Empleo de fichas
tipo LEGO
Desgaste limitado
Manipulación intuitiva Operación compleja
Fuente: Autor.
Figura 1.2 Opción seleccionada para la optimización del panel electrónico implementado para enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales especiales.
Fuente: Autor.
7
1.2. Requerimientos generales
Considerando que, en el grupo beneficiario existen menores con ceguera parcial, se acordó
incluir en el panel colores vivos. Además, se decidió incluir elementos estimulantes al tacto y
al oído, como la codificación Braille y sonidos para verificar la respuesta [2], [3].
En otro contexto, a los beneficios propios de las fichas tipo LEGO [4], tales como las
múltiples combinaciones, y, las distintas estructuras que se logran crear con un grupo básico
de piezas; se suman el desarrollo de habilidades motrices, y, la adquisición de conceptos
espaciales como volumen, tamaño y formas geométricas [5].
1.3. Funcionalidades del panel
Igual que en la versión original, el panel electrónico permitirá ejecutar las 4 operaciones
básicas (suma, resta, multiplicación, y, divisiones exactas) con 2 operandos, de hasta 3
cifras significativas (unidades, decenas y centenas). El panel electrónico constará de un
tablero (con una disposición de 5 columnas y 4 filas), y, de una sección de encendido y
sonorización (ver Figura 1.3).
Figura 1.3 Tablero del panel electrónico optimizado.
Fuente: Autor.
8
Desde la derecha, las columnas del tablero permiten ubicar las fichas correspondientes a
unidades, decenas, centenas, y, miles. En la primera fila, en cada columna, permanecen
fijas las fichas que señalan el valor posicional de la columna.
En la última columna, a la izquierda del tablero, se ubican las fichas correspondientes a la
operación aritmética a realizar (3ra fila desde arriba del tablero). En la posición quinta
columna y cuarta fila, permanece fija la ficha de resultado de operación, construida sobre un
pulsador.
En la sección de encendido y sonorización, ubicada en la parte superior del tablero, se
encuentran el botón de inicio (START) y un parlante, que servirá para comunicar lo
acertado o no de la operación efectuada.
Las fichas correspondientes a los operandos y al resultado, pueden ocupar exclusivamente
posiciones predeterminadas en el tablero. La Figura 1.4 muestra el diseño del tablero, que
corresponde al estándar de una pieza tipo LEGO.
Figura 1.4 Vista superior y lateral izquierda del tablero. Fuente: Autor.
9
1.4. Sobre las fichas a utilizar
Se diseñará fichas numéricas (operandos) y operacionales (ver Figura 1.5). En forma
general se plantea que en la parte superior de cada ficha de los operandos, se imprima el
valor numérico (de 0 a 9), tanto en Braille como en números arábicos.
Considerando el grado de desarrollo de la capacidad táctil en el grupo beneficiario, y, los
requerimientos de estética planteados por el equipo de trabajo, se decidió plantear al menos
4 posibles diseños de fichas [6], de entre las cuales escoger la opción óptima.
Las fichas diseñadas se imprimieron en 3D, utilizando el aplicativo Solidworks [7], y, una
impresora 3D Makerbot Replicator 2X [8]. La impresión se realizó con filamento de
acrilonitrilo butadieno estireno o ABS, un termoplástico rígido, comúnmente muy utilizado en
la impresión 3D [9].
Figura 1.5 Vista general del tablero y de las fichas.
Fuente: Autor.
Para seleccionar el diseño óptimo de las fichas, se sometió las impresiones al análisis del
grupo beneficiario. Con el apoyo del personal docente del Instituto Especial Fiscal para
Ciegos “Byron Eguiguren”, de la ciudad de Loja, se trabajó con los niños del cuarto año de
10
educación básica inclusiva. A cada uno de los niños se le pidió manipular las diferentes
fichas impresas, recogiendo sus impresiones. Adicionalmente, se solicitó una apreciación a
una tutora del grupo, docente con 15 años de experiencia en el Instituto. Como resultado se
pudo inferir que el diseño óptimo de una ficha corresponde a los criterios de mayor tamaño
posible, cilindros significativos para la codificación Braille sin perfil redondeado, y, número
arábigo impreso en alto relieve (ver Figura 1.6).
Figura 1.6 Diseño de ficha con los cilindros significativos para la codificación Braille sin perfil redondeado y con el número arábigo impreso en alto relieve.
Fuente: Autor.
1.5. Sobre la planificación del diseño del prototipo del panel
Establecida la conceptualización del panel, se decidió proseguir con el diseño e
implementación de un prototipo del panel electrónico. Para este fin, en septiembre de 2014
se conformaron cuatro grupos de trabajo, encargándoles el diseño e implementación del
tablero, el diseño e implementación del bloque de identificación electrónica de fichas, el
diseño e implementación del algoritmo de control del panel, y, el análisis de resultados.
11
CAPÍTULO 2
2. DISEÑO DEL BLOQUE DE IDENTIFICACIÓN ELECTRÓNICA DE FICHAS
12
2.1. Diseño conceptual del bloque de identificación electrónica de las fichas
del panel
2.1.1. Sobre la metodología de conceptualización
Los conceptos preliminares de diseño, se obtuvieron a través de una lluvia de ideas y de la
discriminación posterior, bajo los criterios de durabilidad y facilidad de implementación.
Como resultado, se identificó 4 posibilidades tecnológicas para la identificación electrónica
de las fichas: la utilización de pulsadores, el uso de contactos, la aplicación de resistores, y,
sensores infrarrojos.
2.1.2. Sobre la utilización de pulsadores para la identificación de fichas
Este concepto implica ubicar pulsadores en el tablero de trabajo del panel (ver Figura 2.1),
de forma tal que las fichas las presionen al ser fijadas a el tablero (ver Figura 2.2).
Figura 2.1 Ubicación de los pulsadores en el tablero de trabajo del panel electrónico.
Fuente: Autor.
13
Figura 2.2 Activación de los pulsadores al colocar las fichas sobre el tablero de trabajo del panel electrónico.
Fuente: Autor.
Considerando que las fichas numéricas representan valores entre 0 y 9, utilizando código
binario, se requerirá de 4 pulsadores.
2.1.3. Sobre el uso de contactos para la identificación de fichas
En este concepto, se propone diseñar pistas conductoras en el tablero (ver Figura 2.3), que
podrían habilitar circuitos activos, al complementarse con contactos especialmente ubicados
en la parte inferior de las fichas (ver Figura 2.4).
Figura 2.3 Pistas conductoras sobre el tablero de trabajo del panel electrónico.
Fuente: Autor.
14
Figura 2.4 Activación de las pistas conductoras al colocar las fichas sobre el tablero de trabajo del panel electrónico.
Fuente: Autor.
De igual manera, se sugirió la utilización de código binario para la identificación de las fichas
numéricas.
2.1.4. Sobre la aplicación de resistores para la identificación de fichas
En esta idea, en el interior de cada ficha se coloca un resistor. Al colocar la ficha sobre el
tablero, se conforma un divisor de voltaje (ver Figura 2.5). Predeterminados los valores de
los 2 resistores, se podría asociar el nivel de voltaje en uno de los segmentos del divisor a
una ficha numérica en particular.
Figura 2.5 Empleo de resistores internos para identificación de las fichas sobre el tablero de trabajo del panel electrónico.
Fuente: Autor.
15
2.1.5. Sobre el uso de sensores infrarrojos para la identificación de fichas
En este concepto se propuso ubicar emisores / receptores infrarrojos en el tablero de trabajo
del panel, y, colocar bajo las fichas superficies reflectante o no reflectantes; entonces, la
identificación de la ficha dependerá del patrón de reflexión (ver Figura 2.6).
Figura 2.6 Utilización de sensores infrarrojos para la identificación de las fichas sobre el tablero de trabajo del panel electrónico.
Fuente: Autor.
2.1.6. Análisis comparativo de las opciones tecnológicas para la
identificación de fichas
Las opciones tecnológicas para la identificación electrónica de las fichas, fueron sometidas a
un análisis comparativo, considerando los parámetros de durabilidad y facilidad de
implementación. La Tabla 2.1 muestra los resultados obtenidos.
Tabla 2.1 Análisis comparativo de las opciones tecnológicas para la identificación electrónica de las fichas.
Opción tecnológica
Criterio
Durabilidad Facilidad de
implementación
Pulsadores x
Contactos x
Resistores x
Sensores infrarrojos x x
Fuente: Autor.
El equipo de trabajo decidió incluir otro aspecto adicional en el análisis, como es la facilidad
de colocación de las fichas en el tablero. En general, el análisis mostró que la mejor opción
es la utilización de sensores infrarrojos para la identificación de las fichas.
16
2.2. Diseño electrónico del bloque de identificación de las fichas del panel
2.2.1. Sobre la metodología de diseño
Definida la opción tecnológica a utilizar para la identificación de electrónica de las fichas, se
estableció una aproximación de 4 etapas para el diseño del bloque de identificación:
definición de requerimientos de diseño, diseño lógico de circuitos electrónicos, cálculo de
componentes, y, aproximación del desempeño del circuito.
2.2.2. Definición de requerimientos de diseño
El bloque a diseñar utilizará código binario. En los sensores infrarrojos, el nivel GND
corresponderá a “0”, mientras que VCC será asumido como “1”.
El bloque a diseñar deberá reconocer el valor absoluto de las fichas numéricas, identificar
las fichas operacionales y, reconocer los espacios en los cuales no se ha ubicado ficha
alguna.
La sensibilidad del bloque será tal que, el reconocimiento se realice a una distancia entre 1 y
5 mm, entre los sensores y las fichas, con el objetivo de admitir imprecisiones en la
impresión 3D y en la colocación de las fichas.
2.2.3. Diseño lógico de circuitos electrónicos
En la Figura 2.7 se muestra la identificación de las variables a considerar en el diseño lógico
de los circuitos electrónicos. Las variables de la A a la J, pueden adoptar once estados
diferentes, diez para dígitos decimales y uno para indicar ausencia de ficha. La variable K
puede adoptar cinco estados, cuatro para diferenciar las operaciones matemáticas básicas y
uno para indicar ausencia de ficha.
17
Figura 2.7 Identificación de las variables a considerar en el diseño lógico de los circuitos electrónicos de identificación de fichas en el panel.
Fuente: Autor.
Utilizando la expresión (1), el número requerido de sensores en cada variable se calculó en
4 (variables A – J) y 3 (variable K) [10].
𝑆 = √E (1)
En dónde,
S, es el número requerido de sensores binarios
E, es el número de estados a reconocer
En el marco de este proyecto, se decidió utilizar como emisor / receptor infrarrojo, el
dispositivo CNY70, cuyas características técnicas se muestran en [11], (ver Tabla 2.2). La
Tabla 2.3 muestra la equivalencia entre los estados lógicos en los sensores, y su
equivalente decimal y operacional. A la salida de cada sensor, el valor binario “1”
representará la ausencia de reflexión. En [12], (ver Tabla 2.4) se muestra las características
técnicas del transistor TIP31c que se decidió usar como interruptor del bloque de
identificación electrónica.
18
Tabla 2.2 Características técnicas del sensor infrarrojo del sensor CNY70. Parámetro Condiciones Símbolo Típico Unida
d
Emisor
Corriente máxima en
polarización directa IF 50 mA
Voltaje en polarización
directa IFI = 20mA VF 1.15 V
Acoplamiento Emisor - Receptor
Corriente en el colector VCE = 5V
IF = 20mA
d = 0.3mm
IC 1 mA
Fuente: http://www.vishay.com/docs/83751/cny70.pdf
Tabla 2.3 Equivalentes decimales y operacionales de los estados binarios de los sensores.
Valor binario Equivalente
Variables A, B, C, D, E, F, G, H, I y J
0000 0
0001 1
0010 2
0011 3
0100 4
0101 5
0110 6
0111 7
1000 8
1001 9
1010 Error de lectura
1011 Error de lectura
1100 Error de lectura
1101 Error de lectura
1110 Error de lectura
1111 Sin ficha
Variable K
000 +
001 -
010 x
011 ÷
1XX Sin ficha
Fuente: Autor.
Tabla 2.4 Características técnicas del transistor TIP31c.
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Corriente máxima en el colector 𝐼𝑐𝑀𝐴𝑋 3 𝐴
Ganancia de corriente en DC
(𝐼𝑐 = 1𝐴)
h𝐹𝐸 100
Voltaje de saturación base-emisor
(𝐼𝑐 = 1𝐴)
V𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡) 0.9 𝑉
Fuente: https://www.fairchildsemi.com
19
Figura 2.8 Esquema del circuito de emisor / receptor infrarrojo propuesto para determinar los equivalentes decimales y operaciones de los estados binarios de cada una de las variables. Fuente: Autor.
2.3. Cálculo de componentes del circuito
En cada una de las variables, como circuito para el receptor infrarrojo, se decidió utilizar un
esquema de polarización fija o de emisor común (ver Figura 2.8), en el que el sensor actúa
como un interruptor controlado a través de la presencia de superficie reflectora a corta
distancia, permitiendo el paso de corriente al existir reflexión, y, cortando el paso de
corriente cuando no hay reflexión.
Para un voltaje en corriente continua de 5V, y de acuerdo a las recomendaciones de la
bibliografía [12], el valor de corriente en polarización directa se estimó en 20mA. De acuerdo
a [13], el valor de R1 se calculó a través de la expresión (2), obteniendo un valor de 180Ω.
𝑅1 =𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐹
𝐼𝐹𝐼
(2)
En dónde,
𝑅1, es el valor de la resistencia del resistor, Ω.
𝑉𝑐𝑐, es el valor del voltaje en corriente continua, V.
𝑉𝐹, es el valor del voltaje de polarización fija, V.
𝐼𝐹𝐼, es el valor de la corriente en polarización fija, A.
De acuerdo con [11] (ver Figura 2.9) y [13], el valor de Rc (ver Figura 2.8), se calcula a
través de la expresión (3), obteniendo el valor de 24KΩ, aproximado al valor comercial más
próximo.
20
𝑅𝐶 =𝑉𝑅𝐶
𝐼𝐶
(3)
En donde,
𝑅𝑐, es el valor de la resistencia del resistor en el colector, Ω.
𝑉𝑅𝐶, es la caída de voltaje en el resistor Rc, V.
𝐼𝐶, es la el valor de corriente en el colector, A.
Figura 2.9 Relación entre la corriente en el colector de los transistores del esquema del circuito emisor / receptor infrarrojo, y, la distancia entre los sensores y la superficie refractaria.
Fuente: http://www.vishay.com/
De acuerdo con [11] y [12] (ver Tabla 3.2), el valor de corriente máxima en el colector se
estimó en 1A. De acuerdo a [14], el valor de R2 mostrado en la Figura 2.10, se calcula a
través de la expresión (4), obteniendo un valor de 360Ω.
𝑅 =(V𝑖𝑛 − V𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡)) ∗ h𝐹𝐸
IC
(4)
En dónde,
h𝐹𝐸, es el valor de la ganancia de corriente de U5.
R, es el valor de la resistencia del resistor R2, Ω
Vin, es el valor del voltaje de entrada, V.
VBE(𝑠𝑎𝑡),es el valor del voltaje de saturación base- emisor en U5, V.
21
IC, es el valor de la corriente en el colector de U5, A.
Figura 2.10 Esquema interruptor del circuito de emisor / receptor infrarrojo propuesto para determinar los equivalentes decimales y operaciones de los estados binarios de cada una de las variables.
Fuente: Autor.
2.4. Evaluación de desempeño del circuito
Para aproximar una evaluación del desempeño del circuito diseñado en el reconocimiento
de patrones binarios, se montó un esquema experimental para medir el voltaje a la salida de
un sensor infrarrojo conectado a un microcontrolador ATMEGA32A, considerando diferentes
distancias entre el sensor y las superficies refractarias y no refractarias. Como superficie
refractaria se utilizó cinta aislante blanca, y, como superficie no refractaria se empleó cinta
aislante negra.
La Figura 2.11 y la Figura 2.12 muestran los resultados obtenidos, siendo VIL el voltaje
máximo de entrada en baja al controlador, y VIH el voltaje mínimo de entrada en alta. El
voltaje real de la fuente empleada fue de 5.27V. La Figura 2.11 muestra que el circuito es
capaz de reconocer el estado binario ‘0’ (refracción), en el rango de distancia comprendido
entre 0 y 6.5mm. La Figura 2.12 muestra que el estado binario ‘1’ (ausencia de refracción)
se reconoce a cualquier distancia. Estos resultados satisfacen los requerimientos de diseño.
22
Figura 2.11 Variación del voltaje a la salida del sensor, en función de la distancia entre el sensor y una superficie reflectaría.
Fuente: Autor.
Figura 2.12 Variación del voltaje a la salida del sensor, en función de la distancia entre el sensor y una superficie no reflectaría.
Fuente: Autor.
0
1
2
3
4
5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920
VO
LTA
JE (
V)
DISTANCIA (MM)Voltaje medido VIL
0
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920
VO
LTA
JE (
V)
DISTANCIA (MM)Voltaje medido VIH
23
CAPÍTULO 3
3. INGENIERÍA DE DETALLE E IMPLEMENTACIÓN DEL BLOQUE DE IDENTIFICACIÓN
ELECTRÓNICA DE FICHAS
24
3.1. Metodología de abordaje
Definido el diseño del bloque de reconocimiento electrónico de fichas tipo LEGO, se
estableció una metodología de abordaje de la etapa de ingeniería de detalle 4 etapas:
identificación de pendientes, ingeniería de pendientes, diseño mecánico del panel, y, fase
de pruebas preliminares.
3.2. Identificación de pendientes
De acuerdo con el análisis de opciones de optimización, es necesario que el panel cuente
con salida de audio, un switch de encendido, y un pulsador. Además, a criterio del equipo de
trabajo, se decidió incluir señales luminosas, y un circuito de alimentación y carga.
En definitiva, se decidió atender como pendientes al diseño en un módulo de audio, al
diseño de un módulo de señales luminosas, y, al diseño de un módulo de alimentación y
carga.
3.3. Ingeniería de pendientes
3.3.1. Ingeniería del módulo de audio
En el marco de este proyecto, se desarrollará la capacidad operativa en el procesador para
generar mensajes de audio, que orienten al usuario sobre la operación correcta o incorrecta
del panel. La decisión final sobre la cantidad y tipo de mensajes audibles será abordada por
un equipo de trabajo diferente, conformado para diseñar e implementar la base del panel.
Debido a que el procesador utilizado en este trabajo (Atmega 32A) carece de la capacidad
de generar señales analógicas, es necesario prever la conversión de señales moduladas por
ancho de pulso PWM (generadas en el procesador) en su equivalente de audio, siguiendo el
proceso de conversión mostrado en la Figura 3.1.
De acuerdo a [15], se requiere de un filtro pasa bajas para transformar la señal PWM a
analógica. Según [16], al utilizar una señal PWM se puede aprovechar las limitaciones
físicas de un altavoz dinámico, como filtro pasa bajas. Al ingresar una frecuencia mayor a
aquella en la que el dinámico puede vibrar, se promediará la señal consiguiendo un efecto
de filtro similar al requerido. La Figura 3.2 muestra el esquema propuesto para el circuito de
25
audio del panel. De acuerdo a las características del dinámico descritas en la Tabla 3.1, el
valor de corriente máxima en el colector del transistor U2 se estimó en 750mA. De acuerdo
a [17], el valor de la resistencia de R3, se calculó en 560Ω, utilizando la expresión (5). Las
características eléctricas del transistor U2 se pueden encontrar en la Tabla 3.2.
Figura 3.1 Esquema de conversión de una señal PWM a una analógica.
Fuente: Autor.
Figura 3.2 Circuito de audio propuesto para el panel. Fuente: Autor.
𝑅 =V𝑖𝑛 − V𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡)
IB
(5)
En dónde,
R, es el valor de la resistencia del resistor R3, Ω
26
Vin, es el valor del voltaje de entrada (PWM), V.
VBE(𝑠𝑎𝑡), es el valor del voltaje de saturación base- emisor en U2, V.
IB, es el valor de la corriente en la base de U2, A.
Por su parte, la corriente en la base del transistor se calcula a través de la ecuación (6):
IB =IC
h𝐹𝐸
(6)
En dónde,
IB, es el valor de la corriente en la base de U2, A.
IC, es el valor de la corriente en el colector de U2, A.
h𝐹𝐸, es el valor de la ganancia de corriente de U2.
Tabla 3.1 Características técnicas del dinámico EVL SP-328.
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Resistencia eléctrica R 8 Ω
Potencia P 2 W
Fuente: Autor.
Tabla 3.2 Características técnicas del transistor TIP31c.
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Corriente máxima en el
colector IcMAX
3 A
Ganancia de corriente en DC
(𝐈𝐜 = 𝟕𝟓𝟎𝐦𝐀) hFE 120
Voltaje de saturación base-
emisor (𝐈𝐜 = 𝟕𝟓𝟎𝐦𝐀) VBE(sat) 0.8 V
Fuente: https://www.fairchildsemi.com/
En el marco de este proyecto, para el audio se utilizará un tono senoidal, de características
similares a la señal presentada en la Figura 3.1. Entonces, utilizando la expresión (7)
recomendada en la bibliografía [18], los valores RMS de la señal se calcularon en 3,06 para
voltaje, y 0,38 para intensidad de corriente, obteniendo un valor de 1.16W de potencia.
𝑋𝑅𝑀𝑆 = √1
𝑇∫ 𝑋2(𝑡) 𝑑𝑡
𝑇
0
(7)
27
3.3.2. Ingeniería del módulo de señales luminosas
El módulo de señales luminosas brindará información al usuario sobre la realización correcta
o incorrecta de las operaciones matemáticas, y, se apoyará con señales audibles. Para la
identificación visual de una operación correcta o incorrecta, el equipo de trabajo decidió
utilizar los arreglos mostrados en la Figura 3.3. Una operación correcta se mostrará con un
“visto”, formado por diodos LED estándar, de color verde, de 5mm. Una operación
incorrecta se mostrará con una “X”, formada por diodos LED estándar, de color rojo, de
5mm. Las características eléctricas de los diodos LED se muestran en la Tabla 3.3, [19].
Figura 3.3 Arreglos propuestos para la señalización luminosa.
Fuente: Autor.
Tabla 3.3 Características eléctricas del diodo led de alto brillo rojo y verde de 5mm RC301-05, GC451-03.
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Corriente sugerida en
polarización directa IF 20 mA
Voltaje en polarización directa
(rojo) VF 2 V
Voltaje en polarización directa
(verde) VF 3.1 V
Fuente: http://www.pcboard.ca/kits/leds/5mm.html
La Figura 3.4 muestra el esquema de conexión de los diodos en el módulo de señalización
luminosa. De acuerdo a [13], los valores de las resistencias de R4 y R5, se calculan a través
de la expresión (8), obteniendo un valor de 100Ω y 150Ω respectivamente (aproximado al
valor comercial más próximo). El esquema incluye un transistor (ver Tabla 3.4) configurado
como interruptor, en cada grupo de diodos LED, para suplir la corriente requerida.
28
Figura 3.4 Esquema de conexión de diodos en el circuito de señales luminosas.
Fuente: Autor.
R =VCC − VF
IF
(8)
En dónde,
R, es el valor de la resistencia del resistor, Ω.
Vcc, es el valor del voltaje en corriente continua, V.
VF, es el valor del voltaje en polarización fija, V.
IF, es el valor de la corriente en polarización fija, A.
Tabla 3.4 Características técnicas del transistor 2N2222.
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Corriente máxima en el
colector IcMAX
600 mA
Ganancia de corriente en DC
(𝐈𝐜 = 𝟐𝟎𝟎𝐦𝐀) hFE 175
Voltaje de saturación base-
emisor (𝐈𝐜 = 𝟐𝟎𝟎𝐦𝐀) VBE(sat) 0.9 V
Ganancia de corriente en DC
(𝐈𝐜 = 𝟑𝟎𝟎𝐦𝐀) hFE 140
Voltaje de saturación base-
emisor (𝐈𝐜 = 𝟑𝟎𝟎𝐀) VBE(sat) 0.9 V
Fuente: http://pdf1.alldatasheet.com/
29
Según [17], el valor de las resistencias de R6 y R7, se calculan a través de la ecuación (9).
Considerando las recomendaciones descritas en la bibliografía [20] se obtuvo los valores de
3KΩ y 1.5KΩ, respectivamente.
R = Vin − VBE
IB
(9)
En dónde,
R, es el valor de resistencia del resistor en la base, Ω.
Vin, es el valor del voltaje de entrada, V.
VBE, es el valor del voltaje base-emisor, V.
IB, es el valor de la corriente de la base, A.
3.3.3. Ingeniería del módulo de alimentación y carga
El módulo de alimentación y carga responde al circuito mostrado en la Figura 3.5, y, permite alimentar el panel desde una batería, recargar De acuerdo a [21] y [22], el valor de la (10), obteniendo un valor de 22Ω, para una de los componentes a utilizar se encuentran en muestran en, la Tabla 3.5, la Tabla 3.6, la
Tabla 3.7, y, la Tabla 3.8.
R = 1250 ∗ I (10)
En dónde,
R, es el valor de resistencia del resistor R8, Ω.
I, es el valor del intensidad de carga de las baterías, A.
30
Figura 3.5 Esquema electrónico del circuito de alimentación y carga.
Fuente: Autor.
Tabla 3.5 Características técnicas del limitador de corriente LM317.
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Corriente máxima de salida IOMAX 2.2 A
Voltaje máximo de salida VOMAX 37 V
Fuente: http://www.ti.com/
Tabla 3.6 Características técnicas del regulador de voltaje 7805.
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Voltaje máximo de entrada VI 35 V
Corriente máxima de salida IOMAX 1 A
Fuente: https://www.fairchildsemi.com/
Tabla 3.7 Características técnicas de la batería GP Ni-
MH 60AAM3BMU.
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Voltaje V 3.6 V
Capacidad mínima CMIN 600 mA
Fuente: http://www.gpbatteries.com
Tabla 3.8 Resumen de características de resistores. Resistor Resistencia Potencia
R3 560 Ω 1 4⁄ W
R4 270 Ω 1 4⁄ W
R5 7.5 kΩ 1 4⁄ W
R6 4.2Ω 1 4⁄ W
R7 22 Ω 1 4⁄ W
Fuente: Autor.
31
3.4. Diseño mecánico del panel
3.4.1. Diseño de cubierta y circuitos impresos
Garantizada la operatividad del diseño electrónico propuesto, se diseñó la cubierta del
panel (ver Figura 3.6) y los circuitos impresos de operación y de señales luminosas (ver
Figura 3.7), y de alimentación y carga, y señales de audio (ver Figura 3.8). Para el diseño se
utilizó los recursos del aplicativo Proteus v.7.10 [25]. (ver Figura 3.7 y la Figura 3.8).
La carcasa del panel consta de una caja base y de una cubierta. En este trabajo se atendió
el diseño de la cubierta, que se construyó en una impresora 3D tipo Makerbot Replicator 2
[8], cuyo espacio de trabajo limitado obligó a dividir la impresión en 4 segmentos (ver Figura
3.9).
Figura 3.6 Diseño físico de la cubierta del panel Fuente: Autor.
32
Figura 3.7 Circuito impreso de operación y señales luminosas del panel. Fuente: Autor.
Figura 3.8 Circuito impreso de alimentación y carga, y señales de audio del panel.
Fuente: Autor.
33
Figura 3.9 Segmentación de la cubierta en cuatro segmentos para impresión 3D.
Fuente: Autor.
3.4.2. Diseño de la estrategia de ensamblaje
Para el ensamblaje de los circuitos impresos dentro de la carcasa del panel, se planteó la
estrategia mostrada en la Figura 3.10.
Una vez ubicados los elementos electrónicos en los circuitos impresos, la cubierta se une a
la tarjeta de operación y señales luminosas. A esta última se añade la tarjeta de
alimentación y carga, y señales de audio, y, la tarjeta del bloque de control (de diseño
pendiente). Cada tarjeta se fija con pernos y tuercas (ver Figura 3.11), y, se apoya sobre
soportes (ver Figura 3.12). Las tarjetas electrónicas están separadas entre sí 1.2cm,
utilizando el aire como aislante eléctrico. La decisión final sobre el material, diseño y armado
de la caja base será abordada por un equipo de trabajo diferente.
Figura 3.10 Estrategia de ensamblaje del panel.
34
Fuente: Autor.
Figura 3.11 Fijación de las tarjetas electrónicas en el panel.
Fuente: Autor.
Figura 3.12 Aislamiento electrónico y mecánico de las tarjetas en el panel.
Fuente: Autor.
3.4.3. Construcción de tarjetas electrónicas
Para la construcción de las tarjetas electrónicas, se utilizó el método de planchado descrito
en [26]. En la etapa de impresión del circuito, con ayuda de una impresora a laser, se
imprimió las pistas de los circuitos diseñados, en papel de termo transferencia (ver Figura
3.13).
35
Figura 3.13 Circuito impreso en papel termo-transferencia a laser.
Fuente: Autor.
En la etapa de preparación de la placa, se recortó la placa PCB al tamaño requerido, y, se
lijó la placa para eliminar impurezas sobre el cobre. En la etapa de grabado de placa, se
utilizó calor para transferir las pistas del papel de termo-transferencia a la placa PCB,
obteniendo el resultado mostrado en la Figura 3.14.
Figura 3.14 Circuito grabado en placa de cobre PCB. Fuente: Autor.
En la etapa de lavado de la placa, se utilizó cloruro férrico, lana de acero, y acetona, para
obtener el producto mostrado en la Figura 3.15.
36
Figura 3.15 Circuito impreso en placa de cobre PCB. Fuente: Autor.
En la etapa de perforado de placa y montaje de componentes, se realizaron perforaciones
de 0.8 y 1.2mm de diámetro, y, se soldó los componentes electrónicos de acuerdo al diseño
(ver Figura 3.16).
Figura 3.16 Tarjeta de operación y señales luminosas del panel terminada. Fuente: Autor.
3.5. Pruebas preliminares de funcionamiento
Dada la naturaleza del proyecto, se requerirá de pruebas de campo protocolizadas para
calificar adecuadamente el desempeño integral del panel. En esta etapa, se acordó realizar
una serie de pruebas preliminares para validar la capacidad operativa del panel.
37
Para verificar la operatividad del módulo de audio, se utilizó un algoritmo para emisión de
audio PWM, reproduciendo la frase “It;s working” [27]. El algoritmo se implementó en un
controlador Atmega 32A, conectado a la tarjeta electrónica respectiva. Utilizando el
aplicativo Sound Meter [28], se midió la potencia acústica a 20cm del dinámico, registrando
un nivel promedio de 63dB. Ya que de acuerdo a [29], 60dB se considera un nivel aceptable
para mantener una conversación convencional a 90cm de distancia, los resultados
obtenidos muestran que el sonido reproducido será perceptible para el usuario.
Para verificar la operatividad del módulo de señales luminosas, se conectó el controlador
Atmega 32A a la tarjeta electrónica, y se generó una secuencia de comandos correcto –
incorrecto, corroborando el funcionamiento de los arreglos de LEDs (ver Figura 3.17).
Figura 3.17 Operatividad de los arreglos de LEDs del módulo de señales luminosas.
Fuente: Autor.
Para validar la operatividad del módulo de alimentación y carga, se midió el voltaje de salida
en diferentes escenarios de uso (en vacío, a media carga, y, a full carga). Se considera que,
en un correcto funcionamiento, el voltaje no será menor a 4.5V, y que la corriente de carga
de las baterías no será mayor a 60mA [22]. Los resultados mostraron que el voltaje de
circuito abierto es de 5V, y, que el voltaje a full carga es de 4.80V. En todos los escenarios
estudiados, la intensidad de carga de la batería fue de 57mA. En este contexto, se confirmó
la operatividad del módulo.
Para verificar la operatividad del módulo de operación (reconocimiento de fichas), se utilizó
una ficha de prueba (ver Figura 3.18). Modificando la posición de las superficies refractarias
en la ficha de prueba, se midió el voltaje a la salida del circuito, y, utilizando un controlador
Atmega 32A se comprobó la correspondencia con lo esperado.
38
Figura 3.18 Ficha de prueba para el bloque de identificación electrónica.
Fuente: Autor.
39
CONCLUSIONES
Ante los problemas existentes en un panel electrónico diseñado para la enseñanza
de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales especiales,
se decidió desarrollar un nuevo concepto integrando el uso de fichas tipo LEGO.
Establecida la conceptualización del nuevo panel, se dividió la fase de diseño e
implementación de un prototipo en cuatro actividades: diseño e implementación del
tablero, el diseño e implementación del bloque de identificación electrónica de
fichas, el diseño e implementación del algoritmo de control del panel, y, el análisis de
resultados.
En este trabajo se ha demostrado la factibilidad técnica de desarrollar un bloque de
identificación electrónica de fichas, que corresponda a los requerimientos
conceptuales de funcionamiento del panel, y, a los requerimientos formulados ´por
los investigadores responsables.
40
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41
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42
ANEXOS
UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA
TITULACIÓN: ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES SECCIÓN: ELECTRÓNICA Y ENERGÍAESCALA: NINGUNA
FECHA: ABRIL/2015 AUTOR:
JOSÉ VICENTE JARAMILLO VALDIVIESO
REVISADO POR:ING. JORGE LUIS JARAMILLO PACHECO
DESCRIPCIÓN: ESQUEMA DE CONEXIÓN DE:
a) circuito de emisor / receptor infrarrojo en cada una de lasvariables.
b) interruptor del circuito de emisor / receptor infrarrojoc) módulo de audiod) módulo de señales luminosase) módulo de alimentación
LÁMINA:
1 1
A
Vcc
(+5V)
IR
U1
A1
IR
U2
A2
IR
U3
A3
IR
U4
A4
GND
Vcc
(+5V)
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
U7
D8
GND
Vcc
(+5V)
D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
U8
D8 D9 D10 D11 D12 D13
LM317
IN
ADJ
OUT
7805
IN
GND
OUT
7805
IN
GND
OUT
GND
Vcc
(+5V)
U11
U10
U9
B1
J1
B2
GND
A
U5
GND
U6
GND
a)
b)
c)
e)
d)
SIMBOLOGÍA EMPLEADA
Salida del controlador
Batería
Altavóz dinámico
IR Emisor / Receptorinfrarrojo
Diodo LED
Jack DC
Transistor PNPResistor
Diseño del bloque de identificación electrónica de
fichas tipo LEGO en un panel concebido para la
enseñanza de operaciones matemáticas básicas a
niños con capacidades visuales diferentes
José Vicente Jaramillo#1, Jorge Luis Jaramillo#2
#1 Profesional en formación de la Titulación de IET, Universidad Técnica Particular de Loja
#2 Docente de la SET del DCCE, Universidad Técnica Particular de Loja
Loja, Ecuador 2015
[email protected], [email protected]
Resumen— Se describe los resultados obtenidos al diseñar
el bloque de identificación electrónica de fichas tipo LEGO,
componente básico de un panel electrónico concebido para la
enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con
capacidades visuales diferentes
Palabras claves— enseñanza de matemáticas, niños con
capacidad visual diferente, LEGO, reconocimiento electrónico
de fichas tipo LEGO.
I. INTRODUCCIÓN
En septiembre 2013, la Sección de Diseño, Proyectos
Arquitectónicos y Urbanismo del Departamento de
Arquitectura y Artes, solicitó a la Sección de Electrónica y
Telecomunicaciones (SET) del Departamento de Ciencias de la
Computación y Electrónica (DCCE), de la Universidad Técnica
Particular de Loja, el apoyo en el diseño e implementación de
un panel electrónico para la enseñanza de operaciones
matemáticas básicas a niños con capacidades visuales
especiales. Como resultado, se desarrolló el panel electrónico
mostrado en la Fig.1, y descrito en [1]. La posterior evaluación
de desempeño del panel mostró que, este cumple con las
especificaciones funcionales, pero presenta problemas
operativos, especialmente en relación a la manipulación de
fichas.
En marzo 2014, los investigadores responsables solicitaron
nuevamente apoyo a la SET del DCCE, para optimizar el panel
original. Identificados los problemas existentes, se seleccionó
la solución óptima para superarlos, y se conceptualizó un
nuevo panel electrónico.
En septiembre de 2014, se inició el proceso de diseño e
implementación del nuevo panel. En este trabajo se recoge los
resultados obtenidos en el diseño del bloque de reconocimiento
electrónico de fichas a utilizar en el panel.
II. A MANERA DE RESUMEN DEL PROCESO DE
IDENTIFICACIÓN DE OPCIONES DE OPTIMIZACIÓN
A. Opciones tecnológicas disponibles para la
optimización del panel
En función de los resultados de la evaluación del panel
original por el grupo beneficiario, se identificó las necesidades
de optimización: disminución del volumen y peso de las fichas,
integración de identificadores decimales y en código Braille,
reducción del desgaste de contactos en el circuito impreso; y,
diversificación del uso de colores
Fig. 1. Versión original del panel electrónico implementado
para enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños
con capacidades visuales especiales [1].
Identificadas las necesidades de optimización, se conformó
grupos de trabajo, a cada uno de los cuales se le encargó la
formulación de una propuesta tecnológica de optimización. Se
presentaron 6 propuestas de optimización (ver Tabla 1), entre
las cuales se seleccionó la opción óptima: diseñar un nuevo
panel electrónico que incluya el concepto de fichas tipo LEGO
(ver Fig.2). La utilización de fichas tipo LEGO apunta a
reducir el desgaste prematuro de contactos en los circuitos
impresos, y, ampliar las posibilidades futuras del panel. Se
propone el uso de un tablero y diversas fichas (números y
operaciones matemáticas). Las piezas se colocan en el tablero,
siguiendo una orden establecido (primer operando, segundo
operando, operación, solución, y, comprobación).
Tabla 1.
Análisis comparativo de las opciones presentadas. Diseño de
los autores. Opción Ventajas Desventajas
Reparación del
panel original
Elementos no móviles
Se puede verificar que
pulsadores están activados
No se puede activar
2 pulsadores simultáneamente
Desgaste prematuro
Sistema mecánico
complejo
Gran tamaño
Diseño de un
tablero en forma de oso
Elementos no móviles
Desgaste prematuro
Sistema mecánico complejo
Utilización de aritmética con
dados Desgaste limitado Operación compleja
Diseño de un
panel de operación
aleatoria
Desgaste limitado Operación compleja
Aplicación de sudoku braille
Desgaste limitado Sistema complejo
Operación compleja
Empleo de fichas
tipo LEGO
Desgaste limitado
Manipulación
intuitiva
Operación compleja
Fig. 2. Opción seleccionada para la optimización del panel
electrónico implementado para enseñanza de operaciones
matemáticas básicas a niños con capacidades visuales
especiales. [Autores].
III. SOBRE LA CONCEPTUALIZACIÓN DEL NUEVO PANEL
ELECTRÓNICO
A. Requerimientos generales
Considerando que, en el grupo beneficiario existen menores
con ceguera parcial, se acordó incluir en el panel colores vivos.
Además, se decidió incluir elementos estimulantes al tacto y al
oído, como la codificación Braille y sonidos para verificar la
respuesta [2], [3].
En otro contexto, a los beneficios propios de las fichas tipo
LEGO [4], tales como las múltiples combinaciones, y, las
distintas estructuras que se logran crear con un grupo básico de
piezas; se suman el desarrollo de habilidades motrices, y, la
adquisición de conceptos espaciales como volumen, tamaño y
formas geométricas [5].
B. Funcionalidades del panel
Igual que en la versión original, el panel electrónico permitirá
ejecutar las 4 operaciones básicas (suma, resta, multiplicación,
y, división), con 2 operandos, de hasta 2 cifras significativas
(unidades y decenas). El panel electrónico constará de un
tablero (con una disposición de 4 columnas y 5 filas), y, de
una sección de encendido y sonorización (ver Fig.3).
Fig. 3. Tablero del panel electrónico optimizado. [Autores].
Desde la derecha, las columnas del tablero permiten ubicar
las fichas correspondientes a unidades, decenas, centena, y,
miles. En la primera fila, en cada columna, permanecen fijas
las fichas que señalan el valor posicional de la columna.
En la última columna, a la izquierda del tablero, se ubican las
fichas correspondientes a la operación aritmética a realizar (3
fila desde arriba del tablero). En la posición quinta columna y 4
fila, permanece fija la ficha de resultado de operación,
construida sobre un pulsador.
En la sección de encendido y sonorización, ubicada en la
parte superior del tablero, se encuentran el botón de inicio
(START) y un parlante, que servirá para comunicar lo acertado
o no de la operación efectuada.
Las fichas correspondientes a los operandos y al resultado,
pueden ocupar exclusivamente posiciones predeterminadas en
el tablero. La Fig.4 muestra el diseño del tablero, que
corresponde al estándar de una pieza tipo LEGO.
Fig. 4. Vista superior y lateral izquierda del tablero.
[Autores].
C. Sobre las fichas a utilizar
Se diseñará fichas numéricas (operandos) y operacionales
(ver Fig.5). En forma general se plantea que en la parte
superior de cada ficha de los operandos, se imprima el valor
numérico (de 0 a 9), tanto en Braille como en números
arábicos.
Considerando el grado de desarrollo de la capacidad táctil en
el grupo beneficiario, y, los requerimientos de estética
planteados por el equipo de trabajo, se decidió plantear al
menos 4 posibles diseños de fichas [6], de entre las cuales
escoger la opción óptima.
Las fichas diseñadas se imprimieron en 3D, utilizando el
aplicativo Solidworks [7], y, una impresora 3D Makerbot
Replicator 2X [8]. La impresión se realizó con filamento de
acrilonitrilo butadieno estireno o ABS, un termoplástico rígido,
comúnmente muy utilizado en la impresión 3D [9].
Fig. 5. Vista general del tablero y de las fichas. [Autores].
Para seleccionar el diseño óptimo de las fichas, se sometió
las impresiones al análisis del grupo beneficiario. Con el apoyo
del personal docente del Instituto Especial Fiscal para Ciegos
“Byron Eguiguren”, de la ciudad de Loja, se trabajó con los
niños del cuarto año de educación básica inclusiva. A cada uno
de los niños se le pidió manipular las diferentes fichas
impresas, recogiendo sus impresiones. Adicionalmente, se
solicitó una apreciación a una tutora del grupo, docente con 15
años de experiencia en el Instituto. Como resultado se pudo
inferir que el diseño óptimo de una ficha corresponde a los
criterios de mayor tamaño posible, cilindros significativos para
la codificación Braille sin perfil redondeado, y, número arábigo
impreso en alto relieve (ver Fig.6).
Fig. 6. Diseño de ficha con los cilindros significativos para
la codificación Braille sin perfil redondeado y con el número
arábigo impreso en alto relieve. [Autores].
D. Sobre la planificación del diseño del prototipo del
panel
Establecida la conceptualización del panel, se decidió
proseguir con el diseño e implementación de un prototipo del
panel electrónico. Para este fin, en septiembre de 2014 se
conformaron cuatro grupos de trabajo, encargándoles el
diseño e implementación del tablero, el diseño e
implementación del bloque de identificación electrónica de
fichas, el diseño e implementación del algoritmo de control del
panel, y, el análisis de resultados.
IV. DISEÑO DEL BLOQUE DE IDENTIFICACIÓN
ELECTRÓNICA DE FICHAS
A. Diseño conceptual del bloque de identificación
electrónica de las fichas del panel
Sobre la metodología de conceptualización
Los conceptos preliminares de diseño, se obtuvieron a través
de una lluvia de ideas y de la discriminación posterior, bajo los
criterios de durabilidad y facilidad de implementación.
Como resultado, se identificó 4 posibilidades tecnológicas
para la identificación electrónica de las fichas: la utilización de
pulsadores, el uso de contactos, la aplicación de resistores, y,
sensores infrarrojos.
Sobre la utilización de pulsadores para la identificación de
fichas
Este concepto implica ubicar pulsadores en el tablero de
trabajo del panel (ver Fig.7), de forma tal que las fichas las
presionen al ser fijadas a el tablero (ver Fig.8).
Fig. 7. Ubicación de los pulsadores en el tablero de trabajo
del panel electrónico. [Diseño de los autores]
Fig. 8. Activación de los pulsadores al colocar las fichas
sobre el tablero de trabajo del panel electrónico. [Diseño de
los autores]
Considerando que las fichas numéricas representan valores
entre 0 y 9, utilizando código binario, se requerirá de 4
pulsadores.
Sobre el uso de contactos para la identificación de fichas
En este concepto, se propone diseñar pistas conductoras en el
tablero (ver Fig.9), que podrían habilitar circuitos activos, al
complementarse con contactos especialmente ubicados en la
parte inferior de las fichas (ver Fig.10).
Fig. 9. Pistas conductoras sobre el tablero de trabajo del
panel electrónico. [Diseño de los autores]
Fig. 10. Activación de las pistas conductoras al colocar las
fichas sobre el tablero de trabajo del panel electrónico.
[Diseño de los autores].
De igual manera, se sugirió la utilización de código binario
para la identificación de las fichas numéricas.
Sobre la aplicación de resistores para la identificación de
fichas
En esta idea, en el interior de cada ficha se coloca un resistor.
Al colocar la ficha sobre el tablero, se conforma un divisor de
voltaje (ver Fig.11). Predeterminados los valores de los 2
resistores, se podría asociar el nivel de voltaje en uno de los
segmentos del divisor a una ficha numérica en particular.
Fig. 11. Empleo de resistores internos para identificación de
las fichas sobre el tablero de trabajo del panel electrónico.
[Diseño de los autores].
Sobre el uso de sensores infrarrojos para la identificación de
fichas
En este concepto se propuso ubicar emisores / receptores
infrarrojos en el tablero de trabajo del panel, y, colocar bajo las
fichas superficies reflectante o no reflectantes; entonces, la
identificación de la ficha dependerá del patrón de reflexión (ver
Fig.12).
Fig. 12. Utilización de sensores infrarrojos para la
identificación de las fichas sobre el tablero de trabajo del
panel electrónico. [Diseño de los autores].
Análisis comparativo de las opciones tecnológicas para la
identificación de fichas
Las opciones tecnológicas para la identificación electrónica
de las fichas, fueron sometidas a un análisis comparativo,
considerando los parámetros de durabilidad y facilidad de
implementación. La Tabla 2 muestra los resultados obtenidos.
Tabla 2. Análisis comparativo de las opciones tecnológicas para la
identificación electrónica de las fichas. Diseño de autores
Opción tecnológica
Criterio
Durabilidad Facilidad de
implementación Pulsadores x Contactos x
Resistores x Sensores infrarrojos x x
El equipo de trabajo decidió incluir otro aspecto adicional en
el análisis, como es la facilidad de colocación de las fichas en
el tablero. En general, el análisis mostró que la mejor opción es
la utilización de sensores infrarrojos para la identificación de
las fichas.
B. Diseño electrónico del bloque de identificación de las
fichas del panel
Sobre la metodología de diseño
Definida la opción tecnológica a utilizar para la identificación
de electrónica de las fichas, se estableció una aproximación de
4 etapas para el diseño del bloque de identificación: definición
de requerimientos de diseño, diseño lógico de circuitos
electrónicos, cálculo de componentes, y, aproximación del
desempeño del circuito.
Definición de requerimientos de diseño
El bloque a diseñar utilizará código binario. En los sensores
infrarrojos, el nivel GND corresponderá a “0”, mientras que
VCC será asumido como “1”.
El bloque a diseñar deberá reconocer el valor absoluto de las
fichas numéricas, identificar las fichas operacionales y,
reconocer los espacios en los cuales no se ha ubicado ficha
alguna.
La sensibilidad del bloque será tal que, el reconocimiento se
realice a una distancia entre 1 y 5 mm, entre los sensores y las
fichas, con el objetivo de admitir imprecisiones en la impresión
3D y en la colocación de las fichas.
Diseño lógico de circuitos electrónicos
En la Fig.13 se muestra la identificación de las variables a
considerar en el diseño lógico de los circuitos electrónicos. Las
variables de la A a la J, pueden adoptar once estados diferentes,
diez para dígitos decimales y uno para indicar ausencia de
ficha. La variable K puede adoptar cinco estados, cuatro para
diferenciar las operaciones matemáticas básicas y uno para
indicar ausencia de ficha.
Fig. 13. Identificación de las variables a considerar en el
diseño lógico de los circuitos electrónicos de identificación
de fichas en el panel. [Autores]
Utilizando la expresión (1), el número requerido de
sensores en cada variable se calculó en 4 (variables A – J) y 3
(variable K) [10].
𝑆 = √E (1)
En dónde,
S, es el número requerido de sensores binarios
E, es el número de estados a reconocer
En el marco de este proyecto, se decidió utilizar como emisor
/ receptor infrarrojo, el dispositivo CNY70, cuyas
características técnicas se muestran en la Tabla 3. La Tabla 4
muestra la equivalencia entre los estados lógicos en los
sensores, y su equivalente decimal y operacional. A la salida
de cada sensor, el valor binario “1” representará la ausencia de
reflexión. La Tabla 5 muestra las características técnicas del
transistor TIP31c que se decidió usar como interruptor del
bloque de identificación electrónica.
Tabla 3.
Características técnicas del sensor infrarrojo del sensor CNY70 [11].
Parámetro Condiciones Símbolo Típico Unida
d
Emisor
Corriente máxima en
polarización directa IF 50 mA
Voltaje en polarización
directa IFI = 20mA VF 1.15 V
Acoplamiento Emisor - Receptor
Corriente en el colector VCE = 5V
IF = 20mA
d = 0.3mm
IC 1 mA
Tabla 4.
Equivalentes decimales y operacionales de los estados binarios de
los sensores [Autores]. Valor binario Equivalente
Variables A, B, C, D, E, F, G, H, I y J
0000 0
0001 1
0010 2
0011 3
0100 4
0101 5
0110 6
0111 7
1000 8
1001 9
1010 Error de lectura
1011 Error de lectura
1100 Error de lectura
1101 Error de lectura
1110 Error de lectura
1111 Sin ficha
Variable K
000 +
001 -
010 x
011 ÷
1XX Sin ficha
Tabla 5.
Características técnicas del transistor TIP31c [12]. Parámetro Símbolo Típico Unidad
Corriente máxima en el colector 𝐼𝑐𝑀𝐴𝑋 3 𝐴
Ganancia de corriente en DC
(𝐼𝑐 = 1𝐴)
h𝐹𝐸 100
Voltaje de saturación base-emisor
(𝐼𝑐 = 1𝐴)
V𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡) 0.9 𝑉
Fig. 14. Esquema del circuito de emisor / receptor infrarrojo propuesto para determinar los equivalentes decimales y operaciones de los
estados binarios de cada una de las variables. [Autores]
C. Cálculo de componentes del circuito
En cada una de las variables, como circuito para el receptor
infrarrojo, se decidió utilizar un esquema de polarización fija o
de emisor común (ver Fig.14), en el que el sensor actúa como
un interruptor controlado a través de la presencia de superficie
reflectora a corta distancia, permitiendo el paso de corriente al
existir reflexión, y, cortando el paso de corriente cuando no
hay reflexión.
Para un voltaje en corriente continua de 5V, y de acuerdo a
las recomendaciones de la bibliografía [12], el valor de
corriente en polarización directa se estimó en 20mA. De
acuerdo a [13], el valor de R1 se calculó a través de la
expresión (2), obteniendo un valor de 180Ω.
𝑅1 =𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐹
𝐼𝐹𝐼
(2)
En dónde,
𝑅1, es el valor de la resistencia del resistor, Ω.
𝑉𝑐𝑐, es el valor del voltaje en corriente continua, V.
𝑉𝐹, es el valor del voltaje de polarización fija, V.
𝐼𝐹𝐼 , es el valor de la corriente en polarización fija, A.
De acuerdo con [11] (ver Fig.15) y [13], el valor de Rc (ver
Fig.14), se calcula a través de la expresión (3), obteniendo el
valor de 24KΩ, aproximado al valor comercial más próximo.
𝑅𝐶 =𝑉𝑅𝐶
𝐼𝐶
(3)
En donde,
𝑅𝑐, es el valor de la resistencia del resistor en el
colector, Ω.
𝑉𝑅𝐶, es la caída de voltaje en el resistor Rc, V.
𝐼𝐶 , es la el valor de corriente en el colector, A.
Fig. 15. Relación entre la corriente en el colector de los
transistores del esquema del circuito emisor / receptor
infrarrojo, y, la distancia entre los sensores y la superficie
refractaria [11].
De acuerdo con [11] y [12] (ver Tabla 7), el valor de
corriente máxima en el colector se estimó en 1A. De acuerdo a
[14], el valor de R2 mostrado en la Fig.16, se calcula a través
de la expresión (4), obteniendo un valor de 360Ω.
𝑅 =(V𝑖𝑛 − V𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡)) ∗ h𝐹𝐸
IC
(4)
En dónde,
h𝐹𝐸 , es el valor de la ganancia de corriente de U5.
R, es el valor de la resistencia del resistor R2, Ω
Vin, es el valor del voltaje de entrada, V.
VBE(𝑠𝑎𝑡),es el valor del voltaje de saturación base- emisor en
U5, V.
IC, es el valor de la corriente en el colector de U5, A.
Fig. 16. Esquema interruptor del circuito de emisor /
receptor infrarrojo propuesto para determinar los
equivalentes decimales y operaciones de los estados binarios
de cada una de las variables. [Autores]
D. Evaluación de desempeño del circuito
Para aproximar una evaluación del desempeño del circuito
diseñado en el reconocimiento de patrones binarios, se montó
un esquema experimental para medir el voltaje a la salida de un
sensor infrarrojo conectado a un microcontrolador MEGA32A,
considerando diferentes distancias entre el sensor y las
superficies reflectarías y no refractarias. Como superficie
reflectaría se utilizó cinta aislante blanca, y, como superficie no
refractaria se empleó cinta aislante negra.
Las Fig.17 y 18 muestran los resultados obtenidos, siendo
VIL el voltaje máximo de entrada en baja al controlador, y VIH
el voltaje mínimo de entrada en alta. El voltaje real de la fuente
empleada fue de 5.27V. La Fig.17 muestra que el circuito es
capaz de reconocer el estado binario ‘0’ (refracción), en el
rango de distancia comprendido entre 0 y 6.5mm. La Fig.18
muestra que el estado binario ‘1’ (ausencia de refracción) se
reconoce a cualquier distancia. Estos resultados satisfacen los
requerimientos de diseño
Fig. 17. Variación del voltaje a la salida del sensor, en
función de la distancia entre el sensor y una superficie
reflectaría. [Autores].
Fig. 18. Variación del voltaje a la salida del sensor, en
función de la distancia entre el sensor y una superficie no
reflectaría. [Autores].
V. INGENIERÍA DE DETALLE E IMPLEMENTACIÓN DEL
BLOQUE DE IDENTIFICACIÓN ELECTRÓNICA DE FICHAS
A. Metodología de abordaje
Definido el diseño del bloque de reconocimiento electrónico
de fichas tipo LEGO, se estableció una metodología de
abordaje de la etapa de ingeniería de detalle 4 etapas:
identificación de pendientes, ingeniería de pendientes, diseño
mecánico del panel, y, fase de pruebas preliminares.
B. Identificación de pendientes
De acuerdo con el análisis de opciones de optimización, es
necesario que el panel cuente con salida de audio, un switch de
encendido, y un pulsador. Además, a criterio del equipo de
trabajo, se decidió incluir señales luminosas, y un circuito de
alimentación.
En definitiva, se decidió atender como pendientes al diseño
en un módulo de audio, al diseño de un módulo de señales
luminosas, y, al diseño de un módulo de alimentación.
C. Ingeniería de pendientes
Ingeniería del módulo de audio
En el marco de este proyecto, se desarrollará la capacidad
operativa en el procesador para generar mensajes de audio, que
orienten al usuario sobre la operación correcta o incorrecta del
panel. La decisión final sobre la cantidad y tipo de mensajes
audibles será abordada por un equipo de trabajo diferente,
conformado para diseñar e implementar la base del panel.
Debido a que el procesador utilizado en este trabajo (Atmega
32A) carece de la capacidad de generar señales analógicas, es
necesario prever la conversión de señales moduladas por ancho
de pulso PWM (generadas en el procesador) en su equivalente
de audio, siguiendo el proceso de conversión mostrado en la
Fig.19.
0
1
2
3
4
5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920
VO
LTA
JE (
V)
DISTANCIA (MM)Voltaje medido VIL
0
1
2
3
4
5
6
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920
VO
LTA
JE (
V)
DISTANCIA (MM)Voltaje medido VIH
De acuerdo a [15], se requiere de un filtro pasa bajas para
transformar la señal PWM a analógica. Según [16], al utilizar
una señal PWM se puede aprovechar las limitaciones físicas de
un altavoz dinámico, como filtro pasa bajas. Al ingresar una
frecuencia mayor a aquella en la que el dinámico puede vibrar,
se promediará la señal consiguiendo un efecto de filtro similar
al requerido. La Fig.20 muestra el esquema propuesto para el
circuito de audio del panel. De acuerdo a las características del
dinámico descritas en la Tabla 6, el valor de corriente máxima
en el colector del transistor U2 se estimó en 750mA. De
acuerdo a [17], el valor de la resistencia de R3, se calculó en
560Ω, utilizando la expresión (5). Las características eléctricas
del transistor U2 se pueden encontrar en la Tabla 7.
Fig. 19. Esquema de conversión de una señal PWM a una
analógica. [Autores].
Fig. 20. Circuito de audio propuesto para el panel [Autores].
𝑅 =V𝑖𝑛 − V𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡)
IB
(5)
En dónde,
R, es el valor de la resistencia del resistor R3, Ω
Vin, es el valor del voltaje de entrada (PWM), V.
VBE(𝑠𝑎𝑡), es el valor del voltaje de saturación base- emisor en
U2, V.
IB, es el valor de la corriente en la base de U2, A.
Por su parte, la corriente en la base del transistor se calcula a
través de la ecuación (6):
IB =IC
h𝐹𝐸
(6)
En dónde,
IB, es el valor de la corriente en la base de U2, A.
IC, es el valor de la corriente en el colector de U2, A.
h𝐹𝐸 , es el valor de la ganancia de corriente de U2.
Tabla 6.
Características técnicas del dinámico EVL SP-328.
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Resistencia eléctrica R 8 Ω
Potencia P 2 W
Tabla 7.
Características técnicas del transistor TIP31c [12].
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Corriente máxima en el
colector IcMAX
3 A
Ganancia de corriente en DC
(𝐈𝐜 = 𝟕𝟓𝟎𝐦𝐀) hFE 120
Voltaje de saturación base-
emisor (𝐈𝐜 = 𝟕𝟓𝟎𝐦𝐀) VBE(sat) 0.8 V
En el marco de este proyecto, para el audio se utilizará un
tono senoidal, de características similares a la señal presentada
en la Fig.19. Entonces, utilizando la expresión (7)
recomendada en la bibliografía [18], los valores RMS de la
señal se calcularon en 3,06 para voltaje, y 0,38 para intensidad
de corriente, obteniendo un valor de 1.16W de potencia.
𝑋𝑅𝑀𝑆 = √1
𝑇∫ 𝑋2(𝑡) 𝑑𝑡
𝑇
0
(7)
Ingeniería del módulo de señales luminosas
El módulo de señales luminosas brindará información al
usuario sobre la realización correcta o incorrecta de las
operaciones matemáticas, y, se apoyará con señales audibles.
Para la identificación visual de una operación correcta o
incorrecta, el equipo de trabajo decidió utilizar los arreglos
mostrados en la Fig.21. Una operación correcta se mostrará con
un “visto”, formado por diodos LED estándar, de color verde,
de 5mm. Una operación incorrecta se mostrará con una “X”,
formada por diodos LED estándar, de color rojo, de 5mm. Las
características eléctricas de los diodos LED se muestran en la
Tabla 8.
Fig. 21. Arreglos propuestos para la señalización luminosa.
[Autores].
Tabla 8.
Características eléctricas del diodo led de alto brillo rojo y
verde de 5mm RC301-05, GC451-03, [19].
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Corriente sugerida en
polarización directa IF 20 mA
Voltaje en polarización directa
(rojo) VF 2 V
Voltaje en polarización directa
(verde) VF 3.1 V
La Fig.22 muestra el esquema de conexión de los diodos en
el módulo de señalización luminosa. De acuerdo a [13], los
valores de las resistencias de R4 y R5, se calculan a través de
la expresión (8), obteniendo un valor de 100 y 150Ω
respectivamente (aproximado al valor comercial más próximo).
El esquema incluye un transistor (ver Tabla 9) configurado
como interruptor, en cada grupo de diodos LED, para suplir la
corriente requerida.
Fig. 22. Esquema de conexión de diodos en el circuito de
señales luminosas [Autores].
R =VCC − VF
IF
(8)
En dónde,
R, es el valor de la resistencia del resistor, Ω. Vcc, es el valor del voltaje en corriente continua, V.
VF, es el valor del voltaje en polarización fija, V.
IF, es el valor de la corriente en polarización fija, A.
Tabla 9.
Características técnicas del transistor 2N2222, [20].
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Corriente máxima en el
colector IcMAX
600 mA
Ganancia de corriente en DC
(𝐈𝐜 = 𝟐𝟎𝟎𝐦𝐀) hFE 175
Voltaje de saturación base-
emisor (𝐈𝐜 = 𝟐𝟎𝟎𝐦𝐀) VBE(sat) 0.9 V
Ganancia de corriente en DC
(𝐈𝐜 = 𝟑𝟎𝟎𝐦𝐀) hFE 140
Voltaje de saturación base-
emisor (𝐈𝐜 = 𝟑𝟎𝟎𝐀) VBE(sat) 0.9 V
Según [17], el valor de las resistencias de R6 y R7, se
calculan a través de la ecuación (9). Considerando las
recomendaciones descritas en la bibliografía [20] se obtuvo los
valores de 3 y 1.5KΩ, respectivamente.
R = Vin − VBE
IB
(9)
En dónde,
R, es el valor de resistencia del resistor en la base, Ω. Vin, es el valor del voltaje de entrada, V.
VBE, es el valor del voltaje base-emisor, V.
IB, es el valor de la corriente de la base, A.
Ingeniería del módulo de alimentación
El módulo de alimentación responde al circuito mostrado en
la Fig.23, y, permite alimentar el panel desde una batería,
recargar la batería, y, alimentar desde la red pública. De
acuerdo a [21] y [22], el valor de la resistencia R8 se calcula a
través de la expresión (10), obteniendo un valor de 22Ω, para
una intensidad de 57mA. Las características técnicas de los
componentes a utilizar se muestran en las Tablas 10 a la 12.
R = 1250 ∗ I (10)
En dónde,
R, es el valor de resistencia del resistor R8, Ω. I, es el valor del intensidad de carga de las baterías, A.
Fig. 23. Esquema electrónico del circuito de alimentación
[Autores].
Tabla 10.
Características técnicas del limitador de corriente LM317, [21].
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Corriente máxima de salida IOMAX 2.2 A
Voltaje máximo de salida VOMAX 37 V
Tabla 11.
Características técnicas del regulador de voltaje 7805, [23].
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Voltaje máximo de entrada VI 35 V
Corriente máxima de salida IOMAX 1 A
Tabla 12.
Características técnicas de la batería GP Ni-MH
60AAM3BMU, [24].
Parámetro Símbolo Típico Unidad
Voltaje V 3.6 V
Capacidad mínima CMIN 600 mA
Tabla 13.
Resumen de características de resistores. Resistor Resistencia Potencia
R3 560 Ω 1 4⁄ W
R4 270 Ω 1 4⁄ W
R5 7.5 kΩ 1 4⁄ W
R6 4.2Ω 1 4⁄ W
R7 22 Ω 1 4⁄ W
D. Diseño mecánico del panel
Diseño de cubierta y circuitos impresos
Garantizada la operatividad del diseño electrónico propuesto,
se diseñó la cubierta del panel (ver Fig.24) y los circuitos
impresos de operación y de señales luminosas (ver Fig.25), y
de alimentación y señales de audio (ver Fig.26). Para el diseño
se utilizó los recursos del aplicativo Proteus v.7.10 [25]. (ver
Fig.25 y Fig.26).
La carcasa del panel consta de una caja base y de una
cubierta. En este trabajo se atendió el diseño de la cubierta, que
se construyó en una impresora 3D tipo Makerbot Replicator 2
[8], cuyo espacio de trabajo limitado obligó a dividir la
impresión en 4 segmentos (ver Fig.27).
Fig. 24. Diseño físico de la cubierta del panel [Autores].
Fig. 25. Circuito impreso de operación y señales luminosas del panel. [Autores]
Fig. 26. Circuito impreso de alimentación y señales de audio
del panel. [Autores]
Fig. 27. Segmentación de la cubierta en cuatro segmentos
para impresión 3D. [Autores]
Diseño de la estrategia de ensamblaje
Para el ensamblaje de los circuitos impresos dentro de la
carcasa del panel, se planteó la estrategia mostrada en la
Fig.28.
Una vez ubicados los elementos electrónicos en los circuitos
impresos, la cubierta se une a la tarjeta de operación y señales
luminosas. A esta última se añade la tarjeta de alimentación y
señales de audio, y, la tarjeta del bloque de control (de diseño
pendiente). Cada tarjeta se fija con pernos y tuercas (ver
Fig.29), y, se apoya sobre soportes (ver Fig.30). Las tarjetas
electrónicas están separadas entre sí 1.2cm, utilizando el aire
como aislante eléctrico. La decisión final sobre el material,
diseño y armado de la caja base será abordada por un equipo de
trabajo diferente.
Fig. 28. Estrategia de ensamblaje del panel [Autores]
Fig. 29. Fijación de las tarjetas electrónicas en el panel
[Autores]
Fig. 30. Aislamiento electrónico y mecánico de las tarjetas
en el panel [Autores]
Construcción de tarjetas electrónicas
Para la construcción de las tarjetas electrónicas, se utilizó el
método de planchado descrito en [26]. En la etapa de impresión
del circuito, con ayuda de una impresora a laser, se imprimió
las pistas de los circuitos diseñados, en papel de termo
transferencia (ver Fig.31).
Fig. 31. Circuito impreso en papel termo-transferencia a
laser. [Autores]
En la etapa de preparación de la placa, se recortó la placa
PCB al tamaño requerido, y, se lijó la placa para eliminar
impurezas sobre el cobre. En la etapa de grabado de placa, se
utilizó calor para transferir las pistas del papel de termo-
transferencia a la placa PCB, obteniendo el resultado mostrado
en la Fig.32.
Fig. 32. Circuito grabado en placa de cobre PCB. [Autores]
En la etapa de lavado de la placa, se utilizó cloruro férrico,
lana de acero, y acetona, para obtener el producto mostrado en
la Fig.33.
Fig. 33. Circuito impreso en placa de cobre PCB. [Autores]
En la etapa de perforado de placa y montaje de componentes,
se realizaron perforaciones de 0.8 y 1.2mm de diámetro, y, se
soldó los componentes electrónicos de acuerdo al diseño (ver
Fig.34).
Fig. 34. Tarjeta de operación y señales luminosas del panel
terminada. [Autores]
E. Pruebas preliminares de funcionamiento
Dada la naturaleza del proyecto, se requerirá de pruebas de
campo protocolizadas para calificar adecuadamente el
desempeño integral del panel. En esta etapa, se acordó realizar
una serie de pruebas preliminares para validar la capacidad
operativa del panel.
Para verificar la operatividad del módulo de audio, se utilizó
un algoritmo para emisión de audio PWM, reproduciendo la
frase “It;s working” [27]. El algoritmo se implementó en un
controlador Atmega 32A, conectado a la tarjeta electrónica
respectiva. Utilizando el aplicativo Sound Meter [28], se midió
la potencia acústica a 20cm del dinámico, registrando un nivel
promedio de 63dB. Ya que de acuerdo a [29], 60dB se
considera un nivel aceptable para mantener una conversación
convencional a 90cm de distancia, los resultados obtenidos
muestran que el sonido reproducido será perceptible para el
usuario.
Para verificar la operatividad del módulo de señales
luminosas, se conectó el controlador Atmega 32A a la tarjeta
electrónica, y se generó una secuencia de comandos correcto –
incorrecto, corroborando el funcionamiento de los arreglos de
LEDs (ver Fig.35).
Fig. 35. Operatividad de los arreglos de LEDs del módulo
de señales luminosas [Autores]
Para validar la operatividad del módulo de alimentación, se
midió el voltaje de salida en diferentes escenarios de uso (en
vacío, a media carga, y, a full carga). Se considera que, en un
correcto funcionamiento, el voltaje no será menor a 4.5V, y
que la corriente de carga de las baterías no será mayor a 60mA
[22]. Los resultados mostraron que el voltaje de circuito abierto
es de 5V, y, que el voltaje a full carga es de 4.80V. En todos
los escenarios estudiados, la intensidad de carga de la batería
fue de 57mA. En este contexto, se confirmó la operatividad del
módulo.
Para verificar la operatividad del módulo de operación
(reconocimiento de fichas), se utilizó una ficha de prueba (ver
Fig.36). Modificando la posición de las superficies refractarias
en la ficha de prueba, se midió el voltaje a la salida del circuito,
y, utilizando un controlador Atmega 32A se comprobó la
correspondencia con lo esperado.
Fig. 36. Ficha de prueba para el bloque de identificación
electrónica. [Autores]
VI. CONCLUSIONES
Ante los problemas existentes en un panel electrónico
diseñado para la enseñanza de operaciones
matemáticas básicas a niños con capacidades visuales
especiales, se decidió desarrollar un nuevo concepto
integrando el uso de fichas tipo LEGO.
Establecida la conceptualización del nuevo panel, se
dividió la fase de diseño e implementación de un
prototipo en cuatro actividades: diseño e
implementación del tablero, el diseño e
implementación del bloque de identificación
electrónica de fichas, el diseño e implementación del
algoritmo de control del panel, y, el análisis de
resultados.
En este trabajo se ha demostrado la
factibilidad técnica de desarrollar un bloque de
identificación electrónica de fichas, que corresponda a
los requerimientos conceptuales de funcionamiento
del panel, y, a los requerimientos formulados ´por los
investigadores responsables.
VII. REFERENCIAS
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