Universidad de Costa RicaFacultad de Ingenierıa

Escuela de Ingenierıa Electrica

Construccion de un dispositivo para el

entrenamiento de perros con pulsos de alta

frecuencia y alta potencia

Por:

Rafael Alfonso Viaud Trejos

Ciudad Universitaria “Rodrigo Facio”, Costa Rica

Diciembre del 2013

Construccion de un dispositivo para el

entrenamiento de perros con pulsos de alta

frecuencia y alta potencia

Por:

Rafael Alfonso Viaud Trejos

IE-0499 Proyecto electrico

Aprobado por el Tribunal:

Ingeniero Adolfo Santana Rey, MagisterProfesor guıa

Ingeniero Fausto Calderon Obaldıa Ingeniero Teodoro Wilink Castro, M.Sc.Profesor lector Profesor lector

ResumenEn este proyecto se investigo la efectividad de los dispositivos ultrasonicospara el control de animales, en particular de perros. Se reviso las opcionescomerciales, las alternativas para el diseno de una solucion similar y se cons-truyo un prototipo para realizar pruebas con varios animales. En las pruebasse determino que estos dispositivos pueden utilizarse como estımulo negativoen el entrenamiento de animales y para un control limitado de los mismos.

v

Indice general

Indice de figuras viii

Indice de cuadros viii

1 Introduccion 11.1 Alcance del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Objetivos del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.3 Metodologıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Marco teorico 32.1 ¿Por que se usan dispositivos ultrasonicos para el entrenamiento

y control de animales? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.2 Descripcion de los dispositivos comerciales disponibles en el

mercado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.3 Opciones para generar una senal con frecuencia entre 15 kHz y

50 kHz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3 Desarrollo 73.1 Diseno de un dispositivo portable . . . . . . . . . . . . . . . . . 73.2 Construccion del prototipo final. . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.3 Evaluacion de su efectividad en animales. . . . . . . . . . . . . 12

4 Conclusiones y recomendaciones 17

Bibliografıa 19

vii

Indice de figuras

3.1 Esquema de un circuito generador de tono basado en un LM555. . 83.2 Salida del modelo de un circuito generador de tono basado en un

LM555. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.3 Circuito de tono basado en un LM555 con un amplificador de audio

NTE740A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.4 Salida del circuito generador de tono basado en un LM555. . . . . 103.5 Captura del espectro en frecuencia del tono generado con parlante

equivalente al KSN 1005A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.6 Esquema de un circuito pulsante basado en un LM555. . . . . . . . 123.7 Esquema de un circuito pulsante basado en un LM555. . . . . . . . 123.8 Salida del modelo de un circuito pulsante basado en un LM555. . . 133.9 Esquema de un circuito de tono pulsante basado en dos LM555. . . 133.10 Captura del espectro en frecuencia del tono generado con parlante

BlastKing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.11 Construccion del dispositivo fısico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Indice de cuadros

2.1 Respuesta del oıdo de varios animales (2) . . . . . . . . . . . . . . 42.2 Algunos dispositivos comerciales ultrasonicos, elaboracion propia . 4

viii

1 Introduccion

Uno de los problemas mas comunes que sufren los duenos de perros es el controlde sus ladridos y poder detener las luchas entre ellos. Algunos duenos logransolucionar este problema con entrenamiento y con medidas de represion comogolpearlos con papel periodico enrollado, tirarles agua con una manguera, oen casos extremos, hasta con choques electricos.

Hoy en dıa ya se encuentran en el mercado dispositivos “ultrasonicos” quecausan distraccion a los animales y ayudan a modificar su conducta, sin em-bargo hay muchos reportes de su inefectividad. Esta inefectividad puede sercausada por el uso de frecuencias muy altas para ser escuchadas por los perrosmayores o por el uso de potencias muy bajas para llamar la atencion de losanimales. El efecto debe ser suficiente para que los animales busquen alejarsey no correr el peligro que se enojen atacando al usuario. De ser ası tambienpodrıa usarse para cambiar conductas de los perros.

Es por esto que es necesario revisar los posibles problemas de los disposi-tivos comerciales que se pueden conseguir actualmente, ası como probar si esposible lograr el control de perros usando pulsos de alta frecuencia y potencia.

1.1 Alcance del proyecto

En este proyecto se revisaron reportes y comentarios sobre los dispositivosultrasonicos comerciales disponibles para el control de perros, ası como lasventajas teoricas de varias alternativas para el diseno de una solucion simi-lar, tomando en cuenta el costo, portabilidad y aplicaciones practicas, paraconstruir un dispositivo que emita sonido ultrasonico de alta potencia sonicay probarlo.

1.2 Objetivos del proyecto

Objetivo General

Constuir un dispositivo electronico que produzca sonido de alta frecuenciapara molestar lo suficiente a los perros de manera que pueda ser usado en suentrenamiento y para detener peleas entre ellos sin lastimarlos.

1

2 1 Introduccion

Objetivos Especıficos

• Analizar los comentarios de los dispositivos ultrasonicos comerciales dis-ponibles, usados para el entrenamiento de perros.

• Determinar las mejores estrategias y componentes para el diseno de undispositivo electronico que produzca sonidos en frecuencias de 15kHz a50kHz.

• Establecer el diseno mas adecuado de un dispositivo electronico ultraso-nico para realizar pruebas de su efectividad.

• Construir un dispositivo electronico que produzca sonido de alta frecuen-cia y alta potencia.

• Realizar pruebas de la efectividad del dispositivo.

• Analizar los resultados de las pruebas para encontrar oportunidades demejora en el diseno o la construccion del dispositivo.

1.3 Metodologıa

El desarrollo de este trabajo incluyo los siguientes pasos y procedimientos,listados en secuencia:

1. Revision de los comentarios sobre los dispositivos electronicos ultrasoni-cos en sitios web que los comercializan, ası como los detalles publicadospor sus fabricantes.

2. Investigacion sobre las opciones de diseno de dispositivos electronicospara producir sonido de frecuencias definidas.

3. Utilizacion de modelos electricos para verificar la salida de los disenosconsiderados.

4. Construccion de un dispositivo electronico portable, que produzca unsonido de alta frecuencia y potencia.

5. Evaluacion de su efectividad en animales, registrando el comportamientode varios animales ante el uso del dispositivo en situaciones controladas.

2 Marco teorico

2.1 ¿Por que se usan dispositivos ultrasonicos parael entrenamiento y control de animales?

Cada especie animal tiene la capacidad de escuchar diferentes rangos de fre-cuencia de sonido.

El oıdo humano tiene la capacidad de escuchar frecuencias aproximada-mente entre los 20Hz y los 20kHz (1)1, pero con variantes entre cada individuo,y el rango se reduce con la edad (11)2.

Otros animales tienen la capacidad de escuchar rangos diferentes, por ejem-plo los perros escuchan frecuencias superiores de 50Hz a 46kHz y las aves escu-chan frecuencias inferiores de 200 a 12kHz (2)3. En el cuadro 2.1 se presentanlos rangos que normalmente pueden escuchar diferentes animales.

Debido a las diferencias en la sensibilidad del oıdo de los diferentes ani-males, es posible producir sonidos que pueden ser escuchados por unos y nopor otros. En el caso de los dispositivos de entrenamiento para perros es co-mun utilizar frecuencias de sonido superiores al rango de los seres humanos yque aun pueden ser escuchados por estos animales. La posibilidad de escucharun sonido depende de su frecuencia y la capacidad auditiva del animal. Lamolestia al escucharlo dependera de su volumen o potencia.

2.2 Descripcion de los dispositivos comercialesdisponibles en el mercado.

En el comercio se pueden encontrar aparatos electronicos que producen sonidoultrasonico, para el entrenamiento o para repeler perros.

Se presentan algunos de los que estan disponibles en la tienda Amazon4

en el cuadro 2.2.

A pesar que algunos de estos aparatos cuentan con un promedio de califi-caciones aceptable, hay un gran numero de comentarios negativos para todoslos dispositivos. En muchos casos debido a que los perros no son sencibles al

1http://hypertextbook.com/facts/2003/ChrisDAmbrose.shtml2http://en.wikipedia.org/wiki/Sense#Hearing3http://donrathjr.com/audible-range-human-hearing4http://www.amazon.com

3

4 2 Marco teorico

Cuadro 2.1: Respuesta del oıdo de varios animales (2)

Especie Rango (Hz)

Tortuga 20 - 1,000Pez Dorado 100 - 2,000Rana 100 - 3,000Paloma 200 - 10,000Gorrion 250 - 12,000Humano 20 - 20,000Chimpance 100 - 20,000Conejo 300 - 45,000Perro 50 - 46,000Gato 30 - 50,000Cuilo 150 - 50,000Rata 1,000 - 60,000Raton 1,000 - 100,000Murcielago 3,000 - 120,000Delfın 1,000 - 130,000

Cuadro 2.2: Algunos dispositivos comerciales ultrasonicos, elaboracion propia

Nombre Fabricante Precio (US$) Calificacion

Dog Dazer II Ultrasonic Dog Deterrent Pet-Agree 29.95 3.5Dog Repeller and Training Aid Pet Parade 24.98 3Ultrasonic Dog Dazer Deterrent K-II Enterprises 29.14 4Stop Barking Training Repeller BrainyTrade 10.49 –Ultrasonic Dog Repeller StreetWise 23.25 2.5/5Ultrasonic Pest Repeller YardGard 79.99 4/5Bark Stop DOG MASTER with Laser Viatek 29.99 2.5

2.3. Opciones para generar una senal con frecuencia entre 15 kHz y 50 kHz5

sonido y en otros a que dejan de funcionar o se descomponen en muy pocotiempo.

Los fabricantes no publican informacion detallada sobre sus productos, porlo que no contamos con una forma de conocer sus frecuencias de operacion osu potencia, ya que adquirirlos para probar sus implementaciones esta fueradel alcance de este proyecto.

Ademas de los dispositivos fısicos, se han desarrollado aplicaciones paracelulares que producen sonido en altas frecuencias para diferentes fines. Seadquirieron varias de estas aplicaciones para un iPhone y se probo con losperros, pero no tuvo ningun efecto en ellos. Es muy probable que el volumenmaximo de un celular no sea suficiente para molestar a estos animales.

2.3 Opciones para generar una senal confrecuencia entre 15 kHz y 50 kHz

Hay muchas alternativas para la generacion de una tono de frecuencia entrelos 15 kHz y los 50 kHz. En el area de la electronica digital las mas senci-llas utilizan amplificadores operacionales (3) 5 o temporizadores 555 en modoaestable (7)6.

Si el dispositivo sera operado manualmente, por medio de un interruptor,un diseno usando una de estas alternativas simples para la generacion de altafrecuencia es suficiente y tiene las ventajas de ser compacto, lo que ayuda a suportabilidad, y barato ya que sus componentes son populares y economicos.

Si el uso requiere de algun tipo de automatizacion, la generacion de untono se puede lograr con un circuito digital programable, que se puede basaren soluciones como el Arduino7, el TI MSP430 (9) o el Raspberry Pi (6)8.

Una solucion basada en un circuito programable da la oportunidad deutilizar sensores para automatizar el inicio del tono, su duracion, tonos in-termitentes, cambios de frecuencia, o si se desea activar el sonido al detectarladridos o movimiento. A pesar que los circuitos programables han bajado deprecio siguen siendo una solucion mas costosa.

5http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/square.html6http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM555.pdf7http://arduino.cc8http://www.raspberrypi.org

3 Desarrollo

3.1 Diseno de un dispositivo portable

Requerimientos para el dispositivo

Para tener criterios practicos en el diseno del dispositivo para entrenamientode perros se consulto a una duena de 7 perras, llamada Leda Trejos, y ellaproporciono los requerimientos de su aparato ideal. En la entrevista se hizoevidente que hay dos posibles disenos para resolver sus necesidades:

• Diseno portatil, para el adiestramiento general de los animales comoestımulo negativo.

– Pequeno y liviano: Facil y practico de cargar al caminar por lapropiedad, para poder usarlo rapidamente en caso de ser necesario.

– Direccional: Que permita apuntar el tono al perro que se necesitaaplicar un estımulo negativo o “castigo”.

• Diseno fijo con control remoto: para desmotivar el comportamiento ne-gativo de los animales, como ladridos o aullidos.

– De mayor alcance: Debe cubrir mayor distancia, para facilitar suubicacion en relacion al area de los animales.

– Salida multidireccional: Se debe considerar la posibilidad que losperros esten en varias direcciones respecto al generador de tono.

– Con control remoto o sensores: Para permitir que sea activado adistancia.

Como requerimiento comun a los dos disenos se espera que el dispositivosea de bajo costo.

Con base en las caracterısticas del aparato portatil, se puede considerarel uso de un circuito sencillo, generador de tonos, activado por un boton ypequeno, que podrıa ser con la forma de una linterna de mano.

Para el diseno del aparato fijo, se debe utilizar un circuito programableal que se le puedan adaptar sensores. Al no ser portatil, se podrıa alimentarcon un pequeno transformador conectado permanentemente a toma corriente.Muy probablemente contara de varios parlantes en todas las direcciones. Laconstruccion de un prototipo programable se sale del alcance de este trabajo,pero podrıa ser el tema de una proyecto posterior.

7

8 3 Desarrollo

Figura 3.1: Esquema de un circuito generador de tono basado en un LM555.

Prototipo

El prototipo que se diseno es del tipo portatil y se utilizo para las pruebascon animales. Se baso en un circuito digital simple utilizando un temporizadorNE555 (7) 1 en modo aestable como generador de alta frecuencia, alimentandoun parlante piezo ceramico.

Se selecciono el parlante piezo ceramico (5) por sus buenas caracterısticasen alta frecuencia, su precio, tamano y consumo electrico.

Con base en la documentacion del fabricante (7) 2 y otras fuentes (Wikipedia)el LM555 se puede utilizar en modo aestable en la configuracion ilustrada enla figura 3.1.

Donde la salida es una onda cuadrada con tiempo encendido t1 y el tiempoapagado t2 estan dados por la ecuacion 3.1 y 3.2 respectivamente. El perıodode la onda T es la suma de t1 y t2, por lo que se puede calcular con la ecuacion3.3, y la frecuencia con la ecuacion 3.4.

t1 = ln(2) ∗ (R3 + R4) ∗ C2, (3.1)

t2 = ln(2) ∗R4 ∗ C2, (3.2)

1http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM555.pdf2http://www.fairchildsemi.com/ds/LM/LM555.pdf

3.1. Diseno de un dispositivo portable 9

Figura 3.2: Salida del modelo de un circuito generador de tono basado en unLM555.

T = ln(2) ∗ C2 ∗ (R3 + 2 ∗R4), (3.3)

f =1

T=

1

ln(2) ∗ C2 ∗ (R3 + 2 ∗R4), (3.4)

Se selecciono como frecuencia de diseno 18kHz, ya que se requiere unafrecuencia que sea poco perceptible por el oıdo humano y que puedan escucharlos perros, pero que pueda ser amplificada de ser necesario por un amplificadorcomercial de audio que normalmente trabajan hasta los 20kHz (8).

Para obtener esta frecuencia, y con un capacitor C2 de 1 nF se deben usarresistencias de 27kΩ.

Con estos valores se modelo el circuito en la aplicacion “TINA” y se obtuvola salida ilustrada en la figura 3.2.

Con este diseno se construyo un prototipo, similar al mostrado en la figura3.3 y se obtuvo la salida ilustrada en la figura 3.4 .

Para evaluar la salida del prototipo se trabajo con una aplicacion quegrafica la frecuencia y la intensidad del sonido, como se muestra en la figura3.5, y en ocasiones se bajo la frecuencia a un nivel audible por el ser humano.

Variaciones al prototipo

Se realizaron pruebas adicionales modificando el prototipo agregando ampli-ficadores al circuito basico, para evaluar su efectividad.

Para aumentar la salida del parlante se probo agregar amplificadores deaudio al circuito original, primero se probo con un LM741 (8) , como se

10 3 Desarrollo

Figura 3.3: Circuito de tono basado en un LM555 con un amplificador de audioNTE740A.

Figura 3.4: Salida del circuito generador de tono basado en un LM555.

3.1. Diseno de un dispositivo portable 11

Figura 3.5: Captura del espectro en frecuencia del tono generado con parlanteequivalente al KSN 1005A.

muestra en la figura 3.6, y posteriormente con un amplificador operacionalNTE740A (4).

En el primer caso como la alimentacion del temporizador y el amplificadorde audio era la misma baterıa, no se logro un incremento notable en el volumendel parlante.

Otra modificacion evaluada fue la adicion de un segundo circuito (figura3.7) con una frecuencia mucho menor para crear una secuencia de pulsos (figura3.8) que alimentan el circuito de alta frecuencia. Este diseno se muestra en lafigura 3.9.

La modificacion mas notable al primer prototipo fue el cambio del parlante.Debido al cambio en la tension de salida del circuito al conectar el parlanteequivalente al KSN 1005A, se probo con otro modelo, un parlante para montajeen automoviles, respuesta de frecuencia de 5 a 20kHz, con salida maxima de90 W y marca BlastKing. Con el cambio de parlante la intensidad del sonidosubio notablemente, como se muestra en la figura 3.10

12 3 Desarrollo

Figura 3.6: Esquema de un circuito pulsante basado en un LM555.

Figura 3.7: Esquema de un circuito pulsante basado en un LM555.

3.2 Construccion del prototipo final.

Para la construccion del prototipo final se utilizo una placa soldable y en ellase monto el circuito generador de frecuencia. Esta placa se coloco en el cuerpode una linterna de mano comun a la que se quitaron los componentes de suinterior. El resultado final se puede ver en la figura 3.11.

3.3 Evaluacion de su efectividad en animales.

Las pruebas del aparato se realizaron con varias perras que acostumbran saltary ensuciar a las personas que conocen. Es por esto que se probo activandolo

3.3. Evaluacion de su efectividad en animales. 13

Figura 3.8: Salida del modelo de un circuito pulsante basado en un LM555.

Figura 3.9: Esquema de un circuito de tono pulsante basado en dos LM555.

cuando se acercaban las perras para evitar ese comportamiento.

En todos los casos fue evidente que escucharon el sonido por los movimien-tos que realizaron al activar el dispositivo. Algunos animales reaccionaron masque otros, pero con todos se logro un cambio en su comportamiento. Despuesde las pruebas las perras no querıan acercarse a la persona que activo el tonode alta frecuencia.

La reaccion no fue tan violenta como para probar la efectividad contrapeleas, debido a que no esperamos haber tenido resultados positivos y se podrıaen riesgo a los animales.

Una posible implementacion de mayor potencia, es la instalacion del ge-nerador de alta frecuencia en un megafono. Esta opcion se propuso en unprincipio, pero la duena de los perros la descarto por el tamano y el pesodel aparato, que ya no se podrıa considerar portatil. Con una solucion ası, sepodrıa haber probado para detener una pelea.

Debido a que la Escuela de Ingenierıa Electrica tiene interes en controlar la

14 3 Desarrollo

Figura 3.10: Captura del espectro en frecuencia del tono generado con parlanteBlastKing.

poblacion de palomas que visita el edificio, y a pesar que la teorıa indica que lasaves no escuchan las frecuencias que se trabajaron en este proyecto, se proboel aparato con aves y no se encontro ninguna reaccion al tono producido. Paraesto se utilizo un comedero de aves y se activo el aparato cuando se acercabana comer. Ninguna ave reacciono al sonido.

Segun la teorıa serıa mucho mas efectivo un generador de baja frecuenciapara asustar a las palomas, pero ese es un diseno con caracterısticas muydiferentes a las de este proyecto y fuera de su alcance.

3.3. Evaluacion de su efectividad en animales. 15

Figura 3.11: Construccion del dispositivo fısico.

4 Conclusiones y recomendaciones

Conclusiones

El aporte (novedad) hecho con el proyecto, debe destacarse.

Al finalizar este proyecto se ha llegado a las siguientes conclusiones:

• Se comprobo que un sonido fuerte puede ser un estımulo negativo paracambiar conductas en los perros. Este sonido puede ser de una frecuenciafuera de la sensibilidad del oıdo humano, para evitarles molestias.

• Hay al menos dos tipos de dispositivo que se pueden disenar para mo-dificar la conducta de estos animales con caracterısticas muy diferentes.Podrıa ser el tema de otro proyecto el diseno del dispositivo fijo.

• El uso de alta frecuencia puede ser efectivo con animales que puedenescuchar esos sonidos, como perros, gatos, murcielagos, y roedores.

• A veces el diseno mas sencillo cumple todo lo requerido en una solucion.

• Hay dispositivos comerciales e iniciativas para ayudar a los duenos deanimales en el control de su comportamiento, pero no hay mucha in-formacion de como o por que funcionan, y cuales son las caracterısticaspara que sean efectivos.

Recomendaciones

Consideramos que es importante considerar las siguientes recomendaciones:

• Como continuacion a este trabajo se podrıa trabajar en el diseno y cons-truccion de un dispositivo programable que reaccione a la entrada desensores. Este podrıa ser usado para el control de ladridos, con sensoresde sonido, o para espantar la entrada de animales a una zona definidausando sensores de movimiento o calor.

• Se puede elevar el volumen de este dispositivo levantando 5 veces latension de salida utilizando un transformador, manteniendose dentro delos parametros del parlante utilizado, pero se debe modificar la formade la onda a senosoidal para evitar la saturacion del transformador.

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18 4 Conclusiones y recomendaciones

• Estos dispositivos no pueden ser utilizados como la unica medida paradefenderse de perros bravos, ya que es posible encontrarse con un perrosordo o que el sonido empeore la situacion. Una alternativa que podrıatener mayores repercusiones en el animal es el uso de un dispositivo decontacto de alto voltaje.

• No es conveniente utilizar un generador de sonido por mucho tiempo,debido a que los animales pierden la sensibilidad al mismo.

Bibliografıa

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[3] Nave, C. R. (2012). Square wave generator (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/square.html).

[4] NTE (NA). NTE740A Integrated Circuit Audio Power Amp, 2W. NTEElectronics Inc.

[5] PiezoSource (NA). Piezo Ceramic Speakers. Piezo Source.

[6] RSComponents (2012). Raspberry Pi Getting Started Guide. RS Compo-nents.

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[8] TI (2013a). LM741 Operational Amplifier. Texas Instruments.

[9] TI (2013b). MSP430F5310 and MSP430F530x Mixed-Signal Microcontro-llers. Texas Instruments.

[Wikipedia] Wikipedia. Circuito integrado 555(http://es.wikipedia.org/wiki/circuitointegrado555).

[11] Wikipedia (2013). Hearing sense (http://en.wikipedia.org/wiki/sensehearing).

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