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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PORTAVASOS SENSOR DE PESO PARABEBIDAS, CAPAZ DE ENVIAR UNA SEÑAL INALÁMBRICA, INFORMANDO LA
NECESIDAD DE SERVICIO.
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PORTAVASOS SENSOR DE PESO PARABEBIDAS, CAPAZ DE ENVIAR UNA SEÑAL INALÁMBRICA, INFORMANDO LA
NECESIDAD DE SERVICIO
JAIME ANDRÉS BELTRÁN GONZÁLEZJONATHAN ANDRÉS JAIME SÁENZ
UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURAFACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ELECTRÓNICABOGOTÁ D.C.
2009
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PORTAVASOS SENSOR DE PESO PARABEBIDAS, CAPAZ DE ENVIAR UNA SEÑAL INALÁMBRICA, INFORMANDO
LA NECESIDAD DE SERVICIO
JAIME ANDRÉS BELTRÁN GONZÁLEZJONATHAN ANDRÉS JAIME SÁENZ
Trabajo de grado para optar al título deIngenieros Electrónicos
UNIVERSIDAD SAN BUENAVENTURAFACULTAD DE INGENIERÍA
PROGRAMA DE ELECTRÓNICABOGOTÁ D.C.
2009
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Nota de aceptación:
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__________________________________Firma del presidente del jurado
__________________________________Firma del jurado
__________________________________Firma del jurado
Bogotá D.C. Junio de 2009.
4
AGRADECIMIENTOS
Agradecemos a Dios y a nuestros padres por su apoyo incondicional, su esfuerzo,
su comprensión e inversión. Porque sin su ayuda no podría ser posible el
desarrollo de este proyecto; a ellos y todas las directivas de la universidad en
especial, a la facultad de ingeniería electrónica; por el soporte institucional y
colaboración dada para la realización de este trabajo e igualmente a nuestros
maestros, quienes nos guían en nuestro camino para poder superar las
dificultades y a su vez alcanzar cada una de nuestras metas.
Gracias a todas aquellas personas que con sus aportes hicieron realidad este
proyecto.
Los Autores.
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TABLA DE CONTENIDO
Pág.INTRODUCCIÓN 17
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 18
1.1 ANTECEDENTES (ESTADO DEL ARTE) 18
1.1.1 Restaurantes y bares automatizados 19
Restaurante Bytes en Caterbury 19
Bagger 19
Antecedentes en Colombia 19
Movilco.net 19
Selectra 20
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA 20
1.3 JUSTIFICACIÓN 21
1.4 OBJETIVOS 22
1.4.1 Objetivo general 22
1.4.2 Objetivos específicos 22
1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES 23
2. MARCO DE REFERENCIA 24
2.1 MARCO CONCEPTUAL - TEÓRICO 24
6
2.1.1 Celdas de carga 24
Fundamento de las galgas extensiométricas. Efecto piezoeléctrico 24
Clasificación 27
Galgas Metálicas 28
Galgas semiconductoras 29
Puente de Wheatstone 30
Circuito de cuarto de puente 31
Circuito de medio Puente 32
Circuito de puente completo 32
2.1.2 Microcontrolador 33
Tipos de microcontroladores 34
Altair 34
Intel (familia 8051) 34
Siemens 35
Microchip 35
Motorola - Freescale 36
Estructura básica de un microcontrolador 36
Núcleo de un microcontrolador 37
Arquitecturas de computadora 37
7
Registros 38
Unidad de control 38
Microcontrolador Motorola 68HC908AP16 39
Características principales del MCU 68HC908AP16 41
Módulo conversor análogo/digital 42
Microgrades 42
Sistemas de control 43
Generalidades de los sistemas de control 43
Sistema de control de lazo cerrado 43
Elementos básicos 44
Sistema de control de lazo abierto 45
Elementos básicos 45
Sistemas de control en lazo cerrado contra los sistemas decontrol en lazo abierto 46
2.1.3 Comunicación inalámbrica 46
Radiofrecuencia (RF) 47
Identificación por radiofrecuencia (RFID) 48
Wi-Fi 49
WiMAX 49
Comunicación móvil 49
Bluetooth 49
8
Zigbee 50
Topologías de red 51
Técnicas de modulación 53
Modulación OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) 53
Modulación BPSK (Binary Phase Shift Keying) 54
ZigBee y su espectro compartido con WLAN 54
Módulos Xbee 55
2.1.4 Amplificadores operacionales 56
Amplificadores de instrumentación 56
Amplificador instrumental AD620. (Analog Devices®) 57
Funcionalidad del amplificador instrumental AD620 57
2.1.5 Módulo LCD (Liquid Crystal Display) 61
Amplificadores de muestreo y retención. (SAMPLE & HOLD). 63
Amplificador Sample and Hold LF398. 63
Características. 64
2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO 65
2.2.1 Resolución 1689 de 2007. 65
2.2.2 Artículo 75 de la Constitución Política de Colombia de 1991. 65
2.2.3 Protocolo IEEE 802.15.4. 65
2.2.4 Cuadro Nacional de atribución de bandas de frecuencias delMinisterio de Comunicaciones. 66
2.2.5 Norma técnica NTS-TS Sectorial Colombiana 004 ICONTECEstablecimientos gastronómicos y bares requisitos de sostenibilidad. 67
9
3. METODOLOGÍA 68
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN 68
3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN 69
3.4 POBLACIÓN Y MUESTRA 69
3.5 HIPÓTESIS 69
3.6 VARIABLES 70
3.6.1 Variables independientes 70
3.6.2 Variables dependientes 70
4. DESARROLLO INGENIERIL 71
4.1 DESCRIPCIÓN DEL DISPOSITIVO 71
4.1.1 Diagrama de bloques 72
4.1.2 Celda de carga 73
4.1.3 Acondicionamiento de señal 77
Filtrado de la señal 77
Amplificación de la señal 79
Curva de funcionamiento 82
Circuito de muestro y retención 84
4.1.4 Módulo de control 85
Programación por capas 88
Conversión análoga/digital 88
Desarrollo del programa de control y transmisión 89
10
Desarrollo del programa de recepción 96
4.1.5 Configuración del módulo Xbee 98
Circuito básico para el Xbee 98
Modos de operación 99
Direccionamiento de los módulos 101
Modo de conexión transparente 102
Conexión punto a punto 103
4.1.6 Módulo de alimentación 106
5. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 109
6. CONCLUSIONES 111
7. RECOMENDACIONES 112
BIBLIOGRAFÍA
Webliografía
GLOSARIO
ANEXOS
11
LISTA DE TABLAS
Pág.Tabla 1. Características de las Galgas Metálicas y Semiconductoras 28
Tabla 2. Bandas de espectro de radiofrecuencia 48
Tabla 3. Comparación de tecnologías inalámbricas 55
Tabla 4. Especificaciones del AD620 61
Tabla 5. Distribución de señales de la interfaz 62
Tabla 6. Banda de frecuencias radioeléctricas para aparatostransreceptores con bajos niveles de potencia o de intensidad decampo 67
Tabla 7. Especificaciones técnicas de la celda de carga 73
Tabla 8. Comportamiento de la celda de carga 75
Tabla 9. Comportamiento de la celda de carga con voltaje amplificado 82
Tabla 10. Porcentaje de pesos de alarma 83
Tabla 11. Criterios de selección del microcontrolador 86
Tabla 12. Características técnicas del módulo XBee 99
Tabla 13. Tabla Modo Sleep y consumos de corriente del módulo XBee 101
Tabla 14. Frecuencia de canales y su respectivo Comando AT 105
Tabla 15. Corriente típica consumida por los componentes Tx 106
Tabla 16. Voltaje típico consumido por los componentes Tx 107
Tabla 17. Corriente típica consumida por los componentes Rx 107
Tabla 18. Voltaje típico consumido por los componentes Rx 108
12
Tabla 19. Pruebas y mediciones a diferentes vasos 110
13
LISTA DE FIGURAS
págFigura 1. Celda de carga 24
Figura 2. Galga Extensiométrica 25
Figura 3. Alargamiento de un conductor 26
Figura 4. Relación entre esfuerzos y deformaciones de una galga 27
Figura 5. Variación de la resistencia según la dirección de ladeformación 27
Figura 6. Configuración de una galga metálica 28
Figura 7. Construcción de una Galga de Hilo Metálico 29
Figura 8. Constitución de una Galga de Película Metálica 29
Figura 9. Galga semiconductora 29
Figura 10. a) Puente de Wheatstone genérico, b) Con ajuste porpotenciómetros 31
Figura 11. Circuito de cuarto de puente 32
Figura 12. Circuito de medio de puente 32
Figura 13. Circuito de puente completo 33
Figura 14. PIC de Microchip Technology Inc 35
Figura 15. Microcontrolador Motorola 68HC908AP16 36
Figura 16. Esquema de un microcontrolador 37
Figura 17. Diagrama en bloques de un microcontrolador 39
Figura 18. Diagrama en bloques de un MCU 68HC908AP16 40
14
Figura 19. Distribución de pines 68HC908AP16 41
Figura 20. Topología de sistema de control de lazo cerrado 44
Figura 21. Topología de sistema de control de lazo abierto 45
Figura 22. Conexión típica usando Zigbee 51
Figura 23. Canales disponibles para el protocolo IEEE 802.15.4 52
Figura 24. Diferencia entre modulación QPSK y OQPSK 53
Figura 25. Señal OQPSK 54
Figura 26. Módulo Xbee de MaxStream 56
Figura 27. AD620AN 57
Figura 28. Amplificador de Instrumentación en Base a tresoperacionales 58
Figura 29. Esquema Simplificado del AD620 60
Figura 30. Distribución de Pines del AD620 60
Figura 31. LCD 16x2 61
Figura 32. Diagrama general de conexiones del display LCD 62
Figura 33. Función básica del circuito muestreo y retención 63
Figura 34. Esquema Simplificado del LF398 64
Figura 35. Diagrama de pines del LF398 64
Figura 36. Diagrama de bloques Tx 72
Figura 37. Diagrama de bloques Rx 72
Figura 38. Esquema de colocación de la celda de punto único 73
Figura 39. Voltaje de salida Vs. Peso de entrada en la celda de carga 76
15
Figura 40. Señal del Sensor en el Osciloscopio Digital 77
Figura 41. Circuito para Filtro Pasa Bajas 78
Figura 42. Curva Típica de CMRR vs. Frecuencia, Relativo a laentrada 80
Figura 43. Circuito Amplificador Incluido el Filtro 81
Figura 44. Curva de funcionamiento con voltaje de salida del sensoramplificado 83
Figura 45. Aplicación típica de LF398 según fabricante 84
Figura 46. CI 555 en configuración astable 85
Figura 47. Oscilador astable con un temporizador 555 dondet1 = t2 85
Figura 48. Diseño capa de puertos 87
Figura 49. Secuencia desarrollo de programación 88
Figura 50. Esquema de tareas para el programa de Tx 89
Figura 51. Máquina de estados del programa Tx 92
Figura 52. Emulación de prueba con vaso vacío 93
Figura 53. Emulación de prueba con vaso lleno 94
Figura 54. Emulación de prueba para cálculo de alarma 94
Figura 55. Tabla de porcentaje de pesos de alarma en Microgrades 95
Figura 56. Emulación de verificación de nivel del vaso 95
Figura 57. Esquema de tareas para el programa de Rx 96
Figura 58. Máquina de estados para Rx 97
Figura 59. Estado de reposo en Rx 97
16
Figura 60. Estado de Muestra en Rx 98
Figura 61. Conexiones mínimas requeridas para el Xbee 98
Figura 62. Modos de operación del modulo Xbee 100
Figura 63. Comandos AT 101
Figura 64. Correspondencia de Buffer 103
Figura 65. Configuración módulo 1 103
Figura 66. Configuración módulo 2 104
Figura 67. Direccionamiento 16 bits 104
Figura 68. Fuente de Voltaje Negativo con MAX232. 106
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INTRODUCCIÓN
El proceso tecnológico da respuesta a las necesidades humanas; para ello,recurre a los conocimientos científicos acumulados con el fin de aplicar losprocedimientos técnicos necesarios que conduzcan a soluciones óptimas,generando así la directa búsqueda del hombre, para mejorar su calidad de vida.
Gracias al avance tecnológico en comunicaciones inalámbricas no es necesariolimitar el envío de información a señas o sonidos, sino apoyarse en un sistemaque haga más preciso y eficaz el servicio.
En relación con esto, es necesario aplicar como ingenieros dichos sistemastecnológicos a procesos comerciales y de servicio para facilitar la satisfacción delconsumidor final.
La implementación de este proyecto va de la mano de estos conocimientostecnológicos y se utilizará con el fin de cumplir con dichas necesidades; en estecaso la atención en determinados establecimientos, tecnificando procesos quedarán un avance en la búsqueda de mejorar el servicio y la atención al cliente.
Este portavasos sensor de peso advierte cuándo un vaso está a punto de vaciarsey envía una señal inalámbrica automática al mesero, indicando la necesidad deservicio. Contiene un sensor que detecta que el vaso está próximo a llegar a supeso original y por medio de una etapa de control y transmisión envía una señalde radio frecuencia al receptor informando que el vaso debe llenarse de nuevo ylogrando que el cliente se abstenga de ordenar por si mismo.
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 ANTECEDENTES (ESTADO DEL ARTE)
Para hacer una referencia de tecnologías y diseños que precedan la idea de esteproyecto, se puede destacar en el contexto externo, la empresa Tyndaris dedicadaa la creación y/o implementación de tecnologías en el mercado de restaurantes yotras aplicaciones, en Chile.
Esta empresa creó un software de utilización en restaurantes llamado “SnapMenu”que según su ideología mejora el servicio y la atención, Tyndaris dice:
“Es un software integral desarrollado especialmente para grandes cadenasde restaurantes que necesiten una herramienta de apoyo logístico,mediante el uso de tecnologías móviles. Integra las áreas del comedor ycocina, permitiendo un flujo continuo de información mediante el uso dePDAs en el comedor y un servidor central en la cocina que recepciona lospedidos, el personal los prepara y los despacha rápidamente”.1
Con la plataforma, todos los pedidos son tomados en un dispositivo móvilestándar, en el cual los clientes encuentran toda la carta, con los precios yespecificaciones de cada comida o bebida. Éste es enviado de inmediato a labarra o cocina y también a la caja, en donde se encuentran los otros extremos delsistema.
Una pantalla en la cocina despliega la información enviada junto con el tiempo queha transcurrido desde que los platos fueron solicitados. Así, la elaboración de losalimentos puede darse sin descuidar de la espera de cada uno de los clientes. Almismo tiempo en que esta orden llega a la cocina, es también enviada a la caja,que lo puede gestionar para el cierre de la cuenta de manera más ágil.
Al igual que esta tecnología implementada en Chile, el portavasos es unaherramienta de apoyo logístico, que permite la interacción entre el cliente y elpersonal encargado de la atención, del mismo modo emplea tecnologíainalámbrica para notificar que se necesita atención.
También se puede hacer referencia a un bar interactivo llamado Ibar, en EstadosUnidos, en el cual una barra interactiva muestra cualquier tipo de contenidomientras se apoya la cerveza sobre ella. Varias de estas barras pueden interactuarentre si por WiFi.
1 Disponible en www.tyndaris.cl Tyndaris, Abril 10 de 2008, 5:02 pm.
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1.1.1 Restaurantes y bares automatizados.
Restaurante Bytes en Canterbury.
El restaurante Bytes en Canterbury, Inglaterra, ha incluido en su establecimientopantallas táctiles mediante las cuales los clientes pueden pedir lo que deseantomar.
Si solicitan una bebida, la orden va directamente a la barra del bar; si lo que sepide es un plato, la orden se dirige a la cocina.
Bagger.
La última revolución en el negocio de los restaurantes tiene lugar en Nuremberg,Alemania, donde funciona un local de comidas totalmente automático. Bagger (tales el nombre del sitio) brinda su servicio a través de computadoras y rampas quetransportan los platos desde la cocina hasta las mesas.
Para realizar un pedido, los clientes ingresan el menú elegido en una pantallatáctil. A través de ese monitor pueden también conocer el tiempo que resta pararecibir el pedido.
Antecedentes en Colombia.
En el ámbito nacional no existen antecedentes semejantes al proyecto, pero sepuede encontrar en el mercado menús para pantalla táctil, que se hanimplementado en algunos restaurantes especiales y sistemas de automatizaciónde procesos en el campo de la atención en bares y restaurantes.
Movilco.net.
Movilco.net es una es una empresa colombiana desarrolladora y comercializadorade software con filiales en Ecuador, Venezuela, Perú, Costa Rica y México,dedicada al desarrollo y a la comercialización de soluciones de negocios queinvolucran aplicativos para todo tipo de dispositivo móvil como los computadorespersonales de mano.
“Esta compañía desarrolla una solución que permite tener un control totaldel comedor y bar de restaurantes, hoteles, centros de convenciones,clubes de recreación, etc., al hacer los pedidos de forma automática ytransmitirlos de forma inalámbrica a las zonas de preparación como cocinay bar.”2
2 Disponible en www.hp.com/latam/ moviles/desarrolladores_movilco.html, Abril 29 de 2009, 5:06 pm.
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Selectra.
Empresa colombiana dedicada a la distribución de un sistema electrónico dellamada de aviso para los clientes de restaurantes y bares, donde les indican queya se encuentra listo su pedido. Es un sistema que usa comunicación inalámbricaaplicada al servicio de bares o restaurantes, lo cual es un acercamiento a mejorarla atención por medio de la electrónica, semejante al funcionamiento de esteproyecto.
“El sistema LRS para restaurantes hará que sus clientes esperen mesa deforma más agradable, ya que el localizador les permitirá alejarse y esperarcómodamente, sin la necesidad de poner atención ó preocuparse de que lollamen y no se entere. El localizador le avisará de forma luminosa yvibratoria cuando su mesa esté lista.
El equipo consta de un Transmisor y localizadores recargables, dentro delos cuales existen tres opciones: el localizador de mano Adver-Teaser, elCoaster en forma de porta-vaso, especial para esperas en zona de bar y elLobsterCal”.3
1.2 DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
El simple hecho de ser seres humanos hace desenvolverse en medios donde hayque estar comunicados. Por eso, la gran importancia de la comunicación es latransmisión y recepción de información de manera clara, en especial cuando setrata de acuerdos comerciales, como lo es la relación entre cliente y vendedor.Debido a que en la ciudad hay establecimientos muy concurridos y de grandistancia entre la atención y el cliente; la comunicación se torna dificultosa ysolicitar servicio se retrasa. Generando así la inconformidad del cliente y menorrentabilidad para el dueño del establecimiento, por disminución del consumo.¿Qué instrumento se puede crear, mediante la tecnología y en particular laingeniería electrónica, para permitir que quien atiende, en un establecimiento deventa y consumo de bebidas, se entere de una manera más rápida y fácil que alcliente se le esta terminando la bebida y necesita ser atendido?
3 Disponible en http://www.selectracol.com, Mayo 11 de 2009, 5:55 pm.
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1.3 JUSTIFICACIÓN
La razón principal de este proyecto es facilitar un proceso de servicio, que sin él,depende de muchos factores para su ejecución. Se busca lograr disminuir unalimitante que es, el tiempo en que se percata la persona encargada de atender yde esta manera poder ofrecer un servicio más eficiente.
Será de gran ayuda en el sector comercial, ya que evitará retrasos o extravíos depedidos, la atención será más personalizada y original, aumentará la productividadde cada miembro del local. Sus clientes volverán en innumerables ocasionesatraídos por el entorno innovador y personalizado del lugar.
Igualmente, es la creación de un producto que automatiza un proceso en bares yrestaurantes, lo cual en Colombia todavía se encuentra muy atrasado, dando asíla posibilidad de comercializar este dispositivo y de esta manera la creación deempresa en el país con proyección a nivel mundial.
22
1.4 OBJETIVOS
1.4.1 Objetivo general.
Diseñar y construir un dispositivo electrónico en un portavasos, el cual indique pormedio de una señal inalámbrica que se está terminando la bebida en el vaso.
1.4.2 Objetivos específicos.
Analizar los diferentes tipos de tecnologías inalámbricas y demicrocontroladores para aplicar los más adecuados al proyecto planteado.
Obtener la señal que provenga de un sensor de peso, para utilizarla en elproceso de control.
Usar un sistema de comunicación inalámbrico entre el punto de atencióndonde se encuentra el receptor y el sitio donde se requiere servicio.
Desarrollar un software para la medición del peso y control del proceso deenvío de información al transmisor y programar un microcontrolador condicho software.
Implementar una interfaz, en la recepción, donde se pueda visualizar lainformación que transmite el portavasos.
Determinar el peso máximo que pueda soportar el dispositivo, paraespecificar las características del vaso que se puede utilizar.
Construir un prototipo, producto de la investigación que demuestre elfuncionamiento y la viabilidad del proyecto.
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1.5 ALCANCES Y LIMITACIONES
El cubrimiento del proyecto consiste en el diseño y construcción del prototipoelectrónico antes mencionado. Es diseñado utilizando un sensor de peso, en estecaso una celda de carga y la tecnología para operar la señal que emite el sensorse da por medio de un microcontrolador estableciendo información que setransmite mediante comunicación inalámbrica. La recepción de estos datos esprocesada por otro microcontrolador y visualizada en una pantalla LCD.
Este dispositivo tiene la versatilidad de usar baterías, en la transmisión, de tiporecargable y así evitar un gasto frecuente en baterías ordinarias al mismo tiempolos componentes electrónicos del prototipo son de bajo consumo de potencia,dándole más duración a dicha fuente de alimentación.
Con la realización de este proyecto se dará un aporte tecnológico, en el serviciode bebidas que se consumen en forma masiva, ya que indicará en que momentopreciso el cliente necesita ser atendido por la persona encargada de formaautomatizada y en el medio en el que se desarrolla, no se encuentra muytecnificado.
Las limitantes del proyecto están sujetas a las distintas características de losdispositivos que componen el prototipo, como lo es la capacidad de la celda decarga, para este caso 5Kg, que es la celda seleccionada para este proyectodebido a que tiene las dimensiones mas pequeñas que se encuentran en elmercado colombiano y se ajustan al tamaño diseñado del portavasos.
Tendrá como limitante el alcance en distancia de la comunicación; El alcancedepende de la potencia de transmisión del dispositivo así como también del tipo deantenas utilizadas. El alcance normal para el modulo de radio frecuencia utilizado,con antena dipolo en línea vista es de aproximadamente de 100m en espacioabierto y en interiores de unos 30m. Este dispositivo es de ultra-bajo consumo depotencia además de versatilidad para redes flexibles y extensibles.
Existe otra clase de limitante de tipo humano, el dispositivo simplemente avisaque se esta terminando la bebida, pero depende de quien atiende que se llenenuevamente el vaso de manera rápida.
Dentro de estas limitaciones de tipo humano esta el método de utilización delportavasos, es necesario que el usuario solicite el servicio del portavasos ya queen caso de que no se lleve acabo el consumo de mas de una bebida no tendríasentido su uso, además es necesario que quien solicite el portavasos, lo utilicecorrectamente, es decir, que el cliente ubique el vaso encima del portavasos.
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2. MARCO DE REFERENCIA
2.1 MARCO CONCEPTUAL-TEÓRICO
2.1.1 Celdas de carga.
El funcionamiento del proyecto está basado principalmente en los sensores delportavasos (celdas de carga), que se encargan de controlar y verificar el uso deuna celda de carga.
Las celdas de carga o sensores de peso son dispositivos que miden un peso(como una balanza). Están compuestos por dos partes principales que son elcuerpo deformable y los strain gage (galgas extensiométricas). El primero es unapieza generalmente de acero que tiene un diseño muy estudiado de modo quecuando se le aplica una carga (una fuerza) en un punto o zona, se deforma de unamanera conocida. Esta deformación se calcula por métodos computacionalescomo el de los elementos finitos y se usa como teoría para el cálculo de laelasticidad lineal.
El segundo (strain gage), es una resistencia que varía su valor de acuerdo con sudeformación. Esta resistencia se pega en puntos específicos del cuerpodeformable (los puntos de mucha deformación).
Entonces se sabe que el cuerpo a tal carga debe deformarse cierto valor que loindica el strain gage se puede conocer la carga aplicada al cuerpo deformable.
Se parte de la hipótesis inicial de que el sensor experimenta las mismasdeformaciones que la superficie sobre la cual está pegada. El sensor estáconstituido por una base muy delgada no conductora, sobre la cual va adherido unhilo metálico muy fino, de forma que la mayor parte de su longitud está distribuidaparalelamente a una dirección determinada.
Figura 1. Celda de carga.
Fuente. http://www.ipc.com.mx. Lunes 12 de Enero de 2009, 5:30p.m.
25
Figura 2. Galga Extensiométrica.
Fuente. http://es.rs-online.com. Lunes 12 de Enero de 2009, 5:40p.m.
La resistencia eléctrica del hilo es directamente proporcional a su longitud, o loque es lo mismo, su resistencia aumenta cuando éste se alarga.
De este modo las deformaciones que se producen en el objeto, en el cual estáadherida la galga, provocan una variación de la longitud y por consiguiente, unavariación de la resistencia.
Fundam ento de las Galgas extensiom étricas: efecto piezoeléctrico.
Las galgas extensiométricas se basan en la variación de la resistencia deun conductor o un semiconductor cuando es sometido a un esfuerzo mecánico.Este efecto fue descubierto por Lord Kelvin en 1856. Si se considera un hilometálico de longitud l, sección transversal A y resistividad ρ, su resistenciaeléctrica R es:
A
lR
(2.1)
Si se le somete a un esfuerzo en dirección longitudinal, cada una de lastres magnitudes que intervienen en el valor de R experimenta un cambio y,por lo tanto, R también cambia de la forma:
A
dA
l
dld
R
dR
(2.2)
26
Figura 3. Alargamiento de un conductor.
Fuente. http://es.rs-online.com. Lunes 21 de Enero de 2009, 2:10p.m.
El cambio de longitud que resulta de aplicar una fuerza F a una piezaunidimensional, siempre y cuando no se entre en la zona de fluencia (Figura 3),viene dado por la ley de Hooke.
l
dlEE
A
F
(2.3)
Donde E es una constante del material, denominada módulo de Young, σ es latensión mecánica y ε es la deformación unitaria. ε es adimensional, peropara mayor claridad se suele dar en “microdeformaciones”(1 microdeformación = 1µε = 10-6 m/m).
Si se considera ahora una pieza que además de la longitud l tenga unadimensión transversal t, resulta que como consecuencia de aplicar un esfuerzolongitudinal no sólo cambia l sino también lo hace t. La relación entre amboscambios viene dada por la ley de Poisson, de la forma:
ldl
tdt
/
/
(2.4)
Donde µ es el denominado coeficiente de Poisson. Su valor está entre 0 y0.5, siendo, por ejemplo, de 0.17 para la fundición maleable, de 0.303 para elacero y de 0.33 para el aluminio y el cobre. Para que se conserve constante elvolumen debe ser µ = 0.5.
27
Figura 4. Relación entre esfuerzos y deformaciones de una galga.
Fuente. RAMÓN PALLÁS ARENY, Sensores y Acondicionamiento de Señal. Viernes 22 deMayo de 2009, 7:40p.m.
Se concluye que la resistencia de la galga varía con la deformación debida alesfuerzo aplicado en la celda de carga. La dirección de deformación que provocael aumento de resistencia, se denomina largo activo.
Figura 5. Variación de la resistencia según la dirección de la deformación.
Fuente. http://www.unet.edu.ve. Viernes 27 de Febrero de 2009, 10:00a.m.
Clasificación.
Existen dos tipos básicos de Galgas, las metálicas y las semiconductoras. Algunasde sus características se comparan en la tabla:
σ
ε
Punto defluencia
28
Tabla 1. Características de las Galgas Metálicas y Semiconductoras.
Fuente. http://www.unet.edu.ve. Miércoles 11 de Febrero de 2009, 3:50p.m.
Galgas Metálicas.
Son las más empleadas y para su fabricación se usan aleaciones constantán,karma, isoelestic y aleaciones de platino.
Figura 6. Configuración de una galga metálica.
Fuente. http://zone.ni.com/devzone. Jueves 07 de Mayo de 2009, 2:05p.m.
Las galgas metálicas se clasifican según el tipo de construcción de la rejilla en:
Hilo Metálico. Son las más sencillas, normalmente están adheridas a unabase de dimensiones estables. Introducen errores en la medida ante estadostensiónales no longitudinales debido a la curvatura del hilo en la rejilla.
29
Figura 7. Construcción de una Galga de Hilo Metálico.
Fuente. http://es.wikipedia.org/wiki/Galga. Jueves 07 de Mayo de 2009, 2:23p.m.
Película Metálica. Se desarrollan por métodos de fotograbado. Se fabrican deforma similar a la producción de circuitos impresos en bases flexibles.
Figura 8. Constitución de una Galga de Película Metálica.
Fuente. http://es.wikipedia.org/wiki/Galga. Viernes 08 de Mayo de 2009, 11:23a.m.
Metal depositado. Se aplican directamente sobre superficies, con métodos deevaporización o bombardeo químico. Utilizadas en los diafragmas de lossensores de presión.
Galgas semiconductoras.
Se fabrican de silicio u otro material semiconductor. El margen de medida esaproximadamente igual a 3000με. Su cambio resistivo es menos lineal que las demetal y tienen una gran dependencia de la temperatura. Se usan en la fabricaciónde sensores integrados de presión y se implantan en micro diafragmas.
30
Figura 9. Galga semiconductora.
Fuente. http://instrumentacion-industrial.blogspot.com. Viernes 08 de Mayo de 2009,11:45a.m.
Puente de Wheatstone.
Cuando se utiliza un elemento resistivo con poca variación, los cambios de voltajede un simple divisor de voltaje son mínimos e incluso pueden confundirsecon variaciones de la fuente de alimentación (ruido); en estos casos se hacenecesaria la utilización de un circuito llamado puente de Wheatstone, el cual semuestra en la Figura 10. Según la Figura 10(b) En una de las ramas se colocael elemento sensor resistivo que en nuestro caso es la galga extensiométrica, seajusta el potenciómetro de manera que en estado de reposo de la galga el voltajeen “a” sea exactamente la mitad de Vcc, la otra rama debe de ser un divisorde voltaje en donde Vb sea también exactamente la mitad de Vcc; el voltaje deinterés se toma de los puntos “a” y “b” que en estado de reposo de la galga será0V, cuando varía la resistencia de ésta, se presenta entonces un voltaje Vabmayor o menor a cero según si aumenta o disminuye la resistenciarespectivamente, y debido sólo a la variación de la misma, este circuito permitepues inmunidad ante los cambios (ruido) en la fuente de alimentación y unamayor sensibilidad que se refleja en un mejor control de la informaciónproveniente del sensor.
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Figura 10. a) Puente de Wheatstone genérico, b) Con ajuste por potenciómetros.
Fuente. http://wikipedia.org/wiki/Puente_de_Wheatstone. Viernes 22 de Mayo de 2009,7:50p.m.
En la Figura 10(a), la resistencia R3 representa al transductor, y sufre unadesviación según un parámetro d, si R1 = R4 = R2, entonces:
R3 R2 1 (2.5)
La desviación se causa por la respuesta del transductor que se modifican con laseñal de entrada. El voltaje de salida Vab es una medida de la desviación.La tensión Vab es un voltaje de circuito abierto, entonces:
VccVab
RRR
RRR
12
2
12
2
1
1
, y de esta manera:
(2.6)
Ya que el circuito típico de medida para de los cambios de resistencia de unagalga es el puente de Wheatstone, se tendrá entonces configuraciones de cuartode puente, medio puente y puente completo.
Circuito de Cuarto de Puente.
Es el puente de medida más sencillo, está conformado por una sola galga activatrabajando a tracción. El análisis del circuito se lleva a cabo asumiendo que todaslas resistencias son iguales cuando no hay deformación extensiométrica.
RRRRVab
21
21//
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Figura 11. Circuito de cuarto de puente.
Fuente. http://www.unicrom.com. Lunes 04 de Mayo de 2009, 9:30a.m.
Circuito de Medio Puente.
Está formado por dos galgas activas, y dos inactivas para compensar el efecto dela temperatura. Con esta configuración se duplica la sensibilidad del puente.
Figura 12. Circuito de medio de puente.
Fuente. http://www.unicrom.com. Lunes 04 de Mayo de 2009, 9:42a.m.
Circuito de Puente Completo.
Este circuito tiene cuatro veces la sensibilidad del circuito de cuarto de puente, yaque integra cuatro galgas activas, dos en compresión y dos en tracción, con lo queademás se compensa los efectos de la temperatura.
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Figura 13. Circuito de puente completo.
Fuente. http://www.unicrom.com. Lunes 04 de Mayo de 2009, 9:55a.m.
2.1.2 Microcontrolador.
Un controlador es dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o variosprocesos. Aunque el concepto de controlador ha permanecido invariable a travésdel tiempo, su implementación física ha variado frecuentemente. Hace tresdécadas, los controladores se construían exclusivamente con componentes delógica discreta, posteriormente se emplearon los microprocesadores, que serodeaban con chips de memoria y E/S (Entrada/Salida) sobre una tarjeta decircuito impreso. En la actualidad, todos los elementos del controlador se hanpodido incluir en un chip, el cual recibe el nombre de microcontrolador.
Cuando se conecta al dispositivo periféricos como teclados, pantallas, motores,sirenas, etc., estamos dando aplicabilidad al microcontrolador, pues este seencarga de realizar procesos para que dichos periféricos realicen funciones y ensu conjunto se conviertan en herramientas útiles para la vida cotidiana. Elmicrocontrolador es una pastilla de silicio con pines metálicos llamados puertos,estos permiten ejecutar las acciones que pueden realizar el microcontrolador. Unsolo pin de un puerto tiene dos estados verdadero o falso que son representadospor niveles de voltaje 0 voltios para Falso y 5 voltios para Verdadero.
Un microcontrolador es un circuito integrado de alta escala de integración queincorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador. Unmicrocontrolador dispone normalmente de los siguientes componentes:
Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso).
Memoria RAM para Contener los datos.
Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM.
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Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, PuertasSerie y Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: ConversoresDigital/Analógico, etc.).
Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todoel sistema.
Tipos de microcontroladores.
Altair.
Altair es el nombre genérico de una familia de microcontroladores de propósitogeneral compatibles con la familia 51. Todos ellos son programables directamentedesde un equipo PC mediante nuestro lenguaje macroensamblador, o bienmediante otros lenguajes disponibles para la familia 51 (Basic, C).
Los microcontroladores Altair disponen de un microprocesador de 8 bits 100%compatible a nivel de código, 256 bytes de memoria interna, 128 registrosespeciales de función, puertos de entrada/salida de propósito general, 111instrucciones y posibilidad de direccionar 128 Kbytes.
Unos microcontroladores Altair se diferencian de otros por el número de entradassalidas, periféricos (DAC, ADC, WATCHDOG, PWM, velocidad de ejecución). Porlo que la elección de un modelo u otro dependerá de las necesidades.
Intel (familia 8051).
El 8051 es el primer microcontrolador de la familia introducida por IntelCorporation. La familia 8051 de microcontroladores son controladores de 8 bitscapaces de direccionar hasta 64 kbytes de memoria de programa y una separadamemoria de datos de 64 kbytes. El 8031(la versión sin ROM interna del 8051,siendo esta la única diferencia) tiene 128 bytes de RAM interna (el 8032 tieneRAM interna de 256 bytes y un temporizador adicional). El 8031 tiene dostemporizadores/contadores, un puerto serie, cuatro puertos de entrada/salidaparalelas de propósito general (P0, P1, P2 y P3) y una lógica de control deinterrupción con cinco fuentes de interrupciones. La ROM interna del 8051 y el8052 no pueden ser programados por el usuario. El usuario debe suministrar elprograma al fabricante, y el fabricante programa los microcontroladores durante laproducción.
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Siemens.
El Siemens SAB80C515 es un miembro mejorado de la familia 8051 demicrocontroladores. El 80C515 es de tecnología CMOS que típicamente reducelos requerimientos de energía comparado a los dispositivos no-CMOS. Lascaracterísticas que tiene frente al 8051 son más puertos, un versátil convertidoranálogo a digital, un optimizado Timer 2, un watchdog timer, y modos de ahorro deenergía sofisticados. El 80C515 es completamente compatible con el 8051. Estoes, usa el mismo conjunto de instrucciones del lenguaje assembly MCS-51. Lasnuevas facilidades del chip son controladas y monitoreadas a través de SFRsadicionales. El 80C515 tiene todas las SFRs del 8051, y de este modo puedecorrer cualquier programa escrito para el 8051 con la excepción del uso delregistro prioridad de interrupción IP. Por tanto si un programa 8051 usa prioridadesde interrupción, debe ser modificado antes de que se ejecute sobre el 80C515.
Microchip
Los microcontroladores PIC de Microchip Technolohy Inc. combinan una altacalidad, bajo coste y excelente rendimiento. Un gran número de estosmicrocontroladores son usados en una gran cantidad de aplicaciones tan comunescomo periféricos del ordenador, datos de entrada automoción de datos, sistemasde seguridad y aplicaciones en el sector de telecomunicaciones.
Tanto la familia del PIC16XX como la del PIC17XX están apoyadas por un rangode usuario de sistemas de desarrollo amistosos incluso programadores,emuladores y tablas de demostración. Así mismo ambas familias están apoyadaspor una gran selección de software incluyendo ensambladores, linkadores,simuladores.
Figura 14. PIC de Microchip Technology Inc.
Fuente. http/www.ikkaro.com/book/export/html/91. Lunes 20 de agosto de 2008, 1:30p.m.
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Motorola - Freescale.
Este tipo de microcontroladores son de excelente funcionamiento, bajo costo ybuena disponibilidad en el mercado colombiano, por esta razón son losseleccionados para este proyecto y en consecuencia explicados en detalle a lolargo del documento.
El tipo de microcontroladores 68HC908AP pertenece a la familia de 8 bits, bajocosto y buen desempeño, Todos los MCUs (Micro Control Unit) de esta familiautilizan la mayoría de la unidad de procesador central (CPU08) y están disponiblescon gran variedad de módulos, tipos y tamaños de memoria además de distintostipos de encapsulado. Es ideal para aplicaciones programable y alimentados porbatería, aplicaciones como controladores del cuerpo humano, control demaquinas, mantenimiento de redes, teléfonos en alta gama, dispositivos ysensores actualizables.
Figura 15. Microcontrolador Motorola 68HC908AP16
Fuente. Autores. Lunes 11 de mayo de 2009, 9:50p.m.
Estructura Básica de un Microcontrolador.
En la siguiente figura, se observa al microcontrolador incorporado dentro de unencapsulado de circuito integrado, con su procesador (CPU), buses, memoria,periféricos y puertos de entrada/salida. Fuera del encapsulado se ubican otroscircuitos para completar periféricos internos y dispositivos que pueden conectarsea los pines de entrada/salida. También se conectarán a los pines del encapsuladola alimentación, masa, circuito de complemento del oscilador y otros circuitosnecesarios para que el microcontrolador pueda trabajar.
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Figura 16. Esquema de un microcontrolador.
Fuente. http://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador. Jueves 14 de mayo de 2009, 8:50a.m.
Núcleo de un microcontrolador.
Aún cuando el microcontrolador es una computadora contenida dentro de uncircuito integrado, se compone de un núcleo y un conjunto de circuitos adicionales.Dentro del núcleo se encuentran el procesador y la memoria, todo elloestructurado de forma tal que conforme una arquitectura de computadora.
Arquitecturas de computadora.
Básicamente existen dos arquitecturas de computadoras y en el caso de losmicrocontroladores, existen dos tipos de memoria bien definidas: memoria dedatos (típicamente algún tipo de SRAM) y memoria de programas (ROM, PROM,EEPROM, FLASH u de otro tipo no volátil). En este caso la organización esdistinta a las de las PC, porque hay circuitos distintos para cada memoria ynormalmente no se utilizan los registros de segmentos, sino que la memoria estásegregada y el acceso a cada tipo de memoria depende de las instrucciones delprocesador.
A pesar de que en los sistemas embebidos con arquitectura Von Neumann lamemoria esté segregada, y existan diferencias con respecto a la definicióntradicional de esta arquitectura; los buses para acceder a ambos tipos de memoriason los mismos, del procesador solamente salen el bus de datos, el dedirecciones, y el de control. Como conclusión, la arquitectura no ha sido alterada,porque la forma en que se conecta la memoria al procesador sigue el mismoprincipio definido en la arquitectura básica.
La otra variante es la arquitectura Harvard, y por excelencia la utilizada ensupercomputadoras, en los microcontroladores, y sistemas embebidos en general.En este caso, además de la memoria, el procesador tiene los buses segregados,de modo que cada tipo de memoria tiene un bus de datos, uno de direcciones y
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uno de control. La ventaja fundamental de esta arquitectura es que permiteadecuar el tamaño de los buses a las características de cada tipo de memoria;además, el procesador puede acceder a cada una de ellas de forma simultánea, loque se traduce en un aumento significativo de la velocidad de procesamiento.
Registros.
Son un espacio de memoria muy reducido pero necesario para cualquiermicroprocesador, de aquí se toman los datos para varias operaciones que deberealizar el resto de los circuitos del procesador. Los registros sirven paraalmacenar los resultados de la ejecución de instrucciones, cargar datos desde lamemoria externa o almacenarlos en ella.
Aunque la importancia de los registros parezca trivial, no lo es en absoluto. Dehecho una parte de los registros, la destinada a los datos, es la que determina unode los parámetros más importantes de cualquier microprocesador. Cuandoescuchamos que un procesador es de 4, 8, 16, 32 ó 64 bits, nos estamosrefiriendo a procesadores que realizan sus operaciones con registros de datos deese tamaño, y por supuesto, esto determina muchas de las potencialidades deestas máquinas.
Unidad de control.
Esta unidad es de las más importantes en el procesador, en ella recae la lógicanecesaria para la decodificación y ejecución de las instrucciones, el control de losregistros, los buses y cuanta cosa más se quiera meter dentro del procesador. Nohay nada dentro de un procesador que escape a las garras de la unidad decontrol. La unidad de control es Dios en el procesador, es omnipotente yomnipresente, todos tienen que rendirle y nadie escapa a su voluntad.
Determina parámetros tales como el tipo de conjunto de instrucciones, velocidadde ejecución, tiempo del ciclo de máquina, tipo de buses que puede tener elsistema, manejo de interrupciones y un buen número de cosas más que encualquier procesador van a para a este bloque.
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Figura 17. Diagrama en bloques de un microcontrolador.
Unidad de
Fuente. http://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador. Jueves 14 de mayo de 2009, 9:20a.m.
Microcontrolador Motorola 68HC908AP16.
Para propósito de este proyecto se hace énfasis en el microcontrolador Motorolade la familia 68HC908AP, el cual ha sido seleccionado por su excelentedesempeño en funciones de control. En las siguientes figuras se puede observarsu estructura en diagramas de bloques y distribución de pines.
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Figura 18. Diagrama en bloques de un MCU 68HC908AP16.
Fuente. http//www.freescale.com. Jueves 14 de mayo de 2009, 10:34a.m.
El 68HC08 es una familia de microcontroladores de Freescale (antes Motorola) de8 bits y arquitectura de Von Neumann, con un solo bloque de memoria. Esconocida también simplemente por HC08.
Los HC08 son microcontroladores de propósito general, cada miembro de estafamilia cuenta con diferentes periféricos internos, pero con una CPU común quepermite migrar aplicaciones entre ellos, facilitando con ello el diseño.4
4 Disponible en http://www.freescale.com, Mayo 14 de 2009, 11:00 am.
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Figura 19. Distribución de pines 68HC908AP16.
Fuente. http//www.freescale.com. Jueves 14 de mayo de 2009, 10:38a.m.
Características principales del MCU 68HC908AP16.
Código compatible con la familia M6805, M14805 y la familia HC05.
El bus interno tiene una frecuencia de 8MHz.
Sistema para proteger el funcionamiento estable del programa.
Opcional reset por watch-dog o (COP) (computer operating properly).
Detección de baja tensión de alimentación seleccionable a 3.0 ó 5.0 Volts.
Detección de un código de instrucción ilegal o no existente con opción areset automático.
Detección de una dirección ilegal o no existente con opción a resetautomático.
Diseñado para sistemas que usan poca potencia.
DIP
42
PIN
42
La memoria RAM es totalmente estática con los modos (STOP) y modoesperar un evento externo (WAIT).
Módulo conversor análogo/digital.
Para el MCU 68HC908AP16, el conversor ADC (conversor análogo digital) tiene 8canales de entrada con 10 bits lineales de resolución y sus principalescaracterísticas son:
Ocho canales de entrada multiplexados.
Alta impedancia de entrada de buffer.
10 bits de resolución.
Conversión individual o continua.
Auto-escaneo en la conversión de cuatro canales.
Conversión de bandera completa o conversión completa interrumpida.
Reloj seleccionable ADC.
Microgrades.
Es necesario hacer una descripción sobre el software Microgrades, debido a quecon este programador para microcontroladores se realiza la respectivaprogramación del 68HC908AP16.
Es un entorno que simplifica el desarrollo de soluciones tecnológicas, mediante lacomputación embebida, la cual implica la resolución de problemas, a través delmodelamiento, basado en conocimientos aplicables a control lógico y secuencial,adquisición de datos, comunicaciones seriales, control variable continua,algoritmia e informática y manejo de periféricos.
Para el desarrollo de este proyecto fue utilizado el software Mgdplus el cual es unentorno de programación de microcontroladores en lenguaje gráfico basado endispositivos virtuales (DV) que se representan a través de íconos. El softwarecontiene ventanas de edición gráfica, asistentes de configuración, explorador deprogramas, caja de selección de DV, diálogos de compilación, ensamble yprogramación de chips.
Este paquete permite implementar, en forma rápida, aplicaciones robustas, dediversa índole, que van desde encendido y apagado de luces, hasta controles
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complejos de procesos y variables. Su aplicación se extiende a áreas tan diversascomo en control industrial, las telecomunicaciones, el comercio, la publicidad, losbienes de consumo y la educación.
Sistemas de control.
Un sistema de control está conformado por un conjunto de elementosrelacionados entre si, que ofrecen datos de salida dependiendo de los datos deentrada que tengamos. Los componentes básicos de un sistema de controlson:
Objetivos de control.
Componentes del sistema de control.
Resultados de salida.
A su vez los sistemas de control se dividen según su aplicación en:
De lazo cerrado.
De lazo abierto.
Generalidades de los sistemas de control.
Los elementos básicos de los sistemas de control son:
controlador del sistema.
Sensores (para medir la variable controlada).
Interfases o acondicionador de señal.
Actuadores.
Controles de actuador.
Sistema de control de lazo cerrado.
Los sistemas de control realimentados se denominan también sistemas decontrol de lazo cerrado. En la práctica, los términos control realimentado ycontrol en lazo cerrado se usan indistintamente.En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal deerror de actuación, que es la diferencia entre la señal de entrada y la salida de
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realimentación (que puede ser la señal de salida misma o una función dela señal de salida y sus derivadas o/y integrales) a fin de reducir el error y llevar lasalida del sistema a un valor conveniente. El término control en lazocerrado siempre implica el uso de una acción de control realimentando parareducir el error del sistema.
Elementos básicos.
1. Elemento de comparación: este elemento compara el valor requerido ode referencia de la variable por controlar con el valor medido de lo que se obtienea la salida, y produce una señal de error la cual indica la diferencia delvalor obtenido a la salida y el valor requerido.
2. Elemento de control: este elemento decide que acción tomar cuando serecibe una señal de error.
3. Elemento de corrección: este elemento se utiliza para producir un cambio enel proceso al eliminar el error.
4. Elemento de proceso: el proceso o planta, es el sistema dónde se vaa controlar la variable.
5. Elemento de medición: este elemento produce una señal relacionada con lacondición de la variable controlada, y proporciona la señal de realimentación alelemento de comparación para determinar si hay o no error.
Figura 20. Topología de sistema de control de lazo cerrado.
Fuente. http://www.des.udc.es/~luis/ControlIndustrial/CI.pdf. Jueves 14 de mayo de 2009,10:58a.m.
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Sistema de control en lazo abierto.
Son los sistemas en los cuales la salida no afecta la acción de control. En unsistema en lazo abierto no se mide la salida ni se realimenta para compararla conla entrada.
En cualquier sistema de control en lazo abierto, la salida no se compara con laentrada de referencia. Por tanto a cada entrada de referencia lecorresponde una condición operativa fija; como resultado, la precisión del sistemadepende de la calibración. Ante la presencia de perturbaciones, un sistema decontrol en lazo abierto no realiza la tarea deseada. En la práctica, el controlen lazo abierto sólo se utiliza si se conoce la relación entre la entrada y la salida ysi no hay perturbaciones internas ni externas. Es evidente que estos sistemas noson de control realimentado.
Elementos básicos.
1. Elemento de control: este elemento determina qué acción se va atomar dada una entrada al sistema de control.
2. Elemento de corrección: este elemento responde a la entrada que viene delelemento de control e inicia la acción para producir el cambio en lavariable controlada al valor requerido.
3. Proceso: el proceso o planta en el sistema en el que se va a controlarla variable.
Figura 21. Topología de sistema de control de lazo abierto.
Fuente. http://www.des.udc.es/~luis/ControlIndustrial/CI.pdf. Jueves 14 de mayo de 2009,11:15a.m.
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Sistemas de control en lazo cerrado contra los sistemas de control enlazo abierto.
Las ventajas de tener una trayectoria de realimentación y, por lo tanto, unsistema en lazo cerrado en lugar de un sistema en lazo abierto son:
1. Más exacto en la igualación de los valores real y requerido para la variable.
2. Menos sensible a las perturbaciones.
3. Menos sensible a cambios en las características de los componentes.
4. La velocidad de respuesta se incrementa y, por lo tanto, el ancho de banda esmayor, es decir, el intervalo de frecuencias en los que el sistemaresponderá.
Pero hay algunas desventajas:
1. Hay una pérdida en la ganancia en cuanto a que la función de transferencia deun sistema en lazo abierto, se reduce de G a G/ (1+GH) por una trayectoria derealimentación con una función de transferencia H.
2. Existe una gran posibilidad de inestabilidad.
3. El sistema es más complejo y, por lo tanto, no sólo más caro, sino máspropenso a descomposturas.
2.1.3 Comunicación Inalámbrica.
Asimismo, como base de este proyecto. La comunicación inalámbrica esimprescindible por lo cual es necesario hacer un énfasis en su teoría.La comunicación inalámbrica (inglés wireless, sin cables) es el tipo decomunicación en la que no se utiliza un medio de propagación físico alguno estoquiere decir que se utiliza la modulación de ondas electromagnéticas, las cualesse propagan por el espacio sin un medio físico que comunique cada uno de losextremos de la transmisión. En ese sentido, los dispositivos físicos sólo estánpresentes en los emisores y receptores de la señal.
En general, la tecnología inalámbrica utiliza ondas de radiofrecuencia de bajapotencia y una banda específica, de uso libre o privada para transmitir, entredispositivos.
Estas condiciones de libertad de utilización, sin necesidad de licencia, hapropiciado que el número de equipos, especialmente computadoras, que utilizan
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las ondas para conectarse, a través de redes inalámbricas haya crecidonotablemente.
La tendencia a la movilidad y la ubicuidad hacen cada vez más utilizados lossistemas inalámbricos, y el objetivo es ir evitando los cables en todo tipo decomunicación, no solo en el campo informático sino en televisión, telefonía,seguridad, domótica, etc.
Un fenómeno social que ha adquirido gran importancia en todo el mundo comoconsecuencia del uso de la tecnología inalámbrica son las comunidades wirelessque buscan la difusión de redes alternativas a las comerciales.
Las siguientes son tecnologías de comunicación inalámbricas mas destacadas yafines para su posible aplicación al desarrollo del proyecto.
Radiofrecuencia (RF).
El término radiofrecuencia, también denominado espectro de radiofrecuencia oRF, se aplica a la porción menos energética del espectro electromagnético,situada entre unos 3 kHz. y unos 300 GHz. En el que se pueden generar ondaselectromagnéticas aplicando corriente alterna a una antena.
Primero se usaron módulos de RF con componentes discretos unidireccionales yprecisamente para no tener que depender del diseño de una circuitería en RF.Posteriormente con la aparición de circuitos transmisores completamenteintegrados con las funciones de emisor y receptor, en diferentes bandas defrecuencia que se fueron estandarizando en las diferentes zonas (Europa y USA),han permitido poderlos utilizar en los diferentes campos de aplicación industrial,comercial y medico, como: control remoto, transmisión de datos en sensores osistemas de adquisición de datos, visualización en monitor médico o de la salud,etc.
Las comunicaciones inalámbricas por RF se pueden dividir en las que no cumplenningún protocolo estándar y las que cumplen un protocolo estándar, y en lasnormativas sobre sus distintas frecuencias de trabajo, que a la vez definenvelocidad de transmisión o ancho de banda y campo de aplicación.
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Tabla 2. Bandas de espectro de radiofrecuencia.
Nombre Abreviaturainglesa
BandaITU Frecuencias Longitud de onda
Inferior a 3 Hz > 100.000 km
Extra baja frecuencia (Extremelylow frequency)
ELF 1 3-30 Hz 100.000 km – 10.000 km
Super baja frecuencia (Super lowfrequency)
SLF 2 30-300 Hz 10.000 km – 1000 km
Ultra baja frecuencia (Ultra lowfrequency)
ULF 3 300–3000 Hz 1000 km – 100 km
Muy baja frecuencia (Very lowfrequency)
VLF 4 3–30 kHz 100 km – 10 km
Baja frecuencia (Low frequency) LF 5 30–300 kHz 10 km – 1 km
Media frecuencia (Mediumfrequency)
MF 6 300–3000 kHz 1 km – 100 m
Alta frecuencia (High frequency) HF 7 3–30 MHz 100 m – 10 m
Muy alta frecuencia (Very highfrequency)
VHF 8 30–300 MHz 10 m – 1 m
Ultra alta frecuencia (Ultra highfrequency)
UHF 9 300–3000 MHz 1 m – 100 mm
Super alta frecuencia (Super highfrequency)
SHF 10 3-30 GHz 100 mm – 10 mm
Extra alta frecuencia (Extremelyhigh frequency)
EHF 11 30-300 GHz 10 mm – 1 mm
Por encima de los300 GHz
< 1 mm
Fuente. http://es.wikipedia.org/wiki/Radiofrecuencia. Lunes 18 de mayo de 2009, 3:50p.m.
Identificación por radiofrecuencia (RFID).
RFID (siglas de Radio Frequency Identification, en español Identificación porradiofrecuencia) es un sistema de almacenamiento y recuperación de datosremoto que usa dispositivos denominados etiquetas, transpondedores o tagsRFID. El propósito fundamental de la tecnología RFID es transmitir la identidad deun objeto (similar a un número de serie único) mediante ondas de radio. Lastecnologías RFID se agrupan dentro de las denominadas Auto ID (AutomaticIdentification, o Identificación Automática).
Una etiqueta RFID es un dispositivo pequeño, similar a una calcomanía, quepuede ser adherida o incorporada a un producto, animal o persona. Contienenantenas para permitirles recibir y responder a peticiones por radiofrecuencia desdeun emisor - receptor RFID.
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Wi-Fi.
Wi-Fi es un sistema de envío de datos sobre redes computacionales que utilizaondas de radio en lugar de cables, además es una marca de la Wi-Fi Alliance(anteriormente la WECA: Wireless Ethernet Compatibility Alliance), la organizacióncomercial que adopta, prueba y certifica que los equipos cumplen los estándares802.11.
WiMAX.
WIMAX son las siglas de Worldwide Interoperability for Microwave Access(interoperabilidad mundial para acceso por microondas). Es una norma detransmisión de datos usando ondas de radio.
Es una tecnología dentro de las conocidas como tecnologías de última milla,también conocidas como bucle local, que permite la recepción de datos pormicroondas y retransmisión por ondas de radio. El protocolo que caracteriza estatecnología es el IEEE 802.16. Se presenta como muy adecuada para dar serviciosde banda ancha en zonas donde el despliegue de cobre, cable o fibra por la bajadensidad de población presenta unos costes por usuario muy elevados (zonasrurales).
Comunicación móvil.
El Sistema Global para las Comunicaciones Móviles (GSM, proviene de "GroupeSpecial Mobile") es un sistema estándar, completamente definido, para lacomunicación mediante teléfonos móviles que incorporan tecnología digital. Porser digital cualquier cliente de GSM puede conectarse a través de su teléfono consu ordenador y puede hacer, enviar y recibir mensajes por e-mail, faxes, navegarpor Internet, acceso seguro a la red informática de una compañía (LAN/Intranet),así como utilizar otras funciones digitales de transmisión de datos, incluyendo elServicio de Mensajes Cortos (SMS) o mensajes de texto.
Para Identificar las terminales y sistemas compatibles GSM se considera, por suvelocidad de transmisión y otras características, un estándar de segundageneración (2G). Su extensión a 3G se denomina UMTS y difiere en su mayorvelocidad de transmisión, el uso de una arquitectura de red ligeramente distinta ysobre todo en el empleo de diferentes protocolos de radio (W-CDMA).
Bluetooth.
Es el nombre común de la especificación industrial IEEE 802.15.1, que define unestándar global de comunicación inalámbrica y posibilita la transmisión de voz ydatos entre diferentes dispositivos mediante un enlace por radiofrecuencia segura,
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globalmente y sin licencia de corto rango. Los principales objetivos que sepretende conseguir con esta norma son:
Facilitar las comunicaciones entre equipos móviles y fijos.
Eliminar cables y conectores entre estos.
Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes inalámbricas y facilitar lasincronización de datos entre los equipos personales.
Los dispositivos que con mayor intensidad utilizan esta tecnología son los de lossectores de las telecomunicaciones y la informática personal, como PDAs,teléfonos celulares, computadoras portátiles, PCs, impresoras y cámaras digitales.
Zigbee.
Para el propósito de este proyecto se aplicará y se enfocará en el protocolo decomunicaciones Zigbee.
Zigbee es un protocolo de comunicaciones inalámbrico basado en el estándar decomunicaciones para redes inalámbricas IEEE_802.15.4. Creado por ZigbeeAlliance, una organización, teóricamente sin ánimo de lucro, de más de 200grandes empresas (destacan Mitsubishi, Honeywell, Philips, ODEM do, Invensys,entre otras), muchas de ellas fabricantes de semiconductores.
Zigbee permite que dispositivos electrónicos de bajo consumo puedan realizar suscomunicaciones inalámbricas. Es especialmente útil para redes de sensores enentornos industriales, médicos y, sobre todo, domóticos.
Las comunicaciones Zigbee se realizan en la banda libre de 2.4GHz. A diferenciade bluetooth, este protocolo no utiliza FHSS (Frequency hooping), sino que realizalas comunicaciones a través de una única frecuencia, es decir, de un canal.Normalmente puede escogerse un canal de entre 16 posibles. El alcance dependede la potencia de transmisión del dispositivo así como también del tipo de antenasutilizadas (cerámicas, dipolos, etc.) El alcance normal con antena dipolo en líneavista es de aproximadamente (tomando como ejemplo el caso de MaxStream, enla versión de 1mW de potencia) de 100m y en interiores de unos 30m. Lavelocidad de transmisión de datos de una red Zigbee es de hasta 256kbps. Unared Zigbee la pueden formar, teóricamente, hasta 65535 equipos, es decir, elprotocolo está preparado para poder controlar en la misma red esta cantidadenorme de dispositivos.
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Figura 22. Conexión típica usando Zigbee.
Fuente. www.olimex.cl. Lunes 11 de mayo de 2009, 5:30p.m.
Una red Zigbee la forman básicamente 3 tipos de elementos. Un único dispositivoCoordinador, dispositivos Routers y dispositivos finales (end points).
Topologías de red.
ZigBee permite tres topologías de red:
Topología en estrella: el coordinador se sitúa en el centro.
Topología en árbol: el coordinador será la raíz del árbol.
Topología de malla: al menos uno de los nodos tendrá más de dosconexiones.
La topología más interesante es la topología de malla. Ésta permite que si, en unmomento dado, un nodo del camino falla y se cae, pueda seguir la comunicaciónentre todos los demás nodos debido a que se rehacen todos los caminos. Lagestión de los caminos es tarea del coordinador.
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Los dispositivos ZigBee deben respetar el estándar de WPAN de baja tasa detransmisión IEEE 802.15.4-2003. Éste define los niveles más bajos: el nivel físico(PHY) y el control de acceso al medio (MAC, parte del nivel de enlace de datos,DLL). El estándar trabaja sobre las bandas ISM de uso no regulado. Se definenhasta 16 canales en el rango de 2,4 GHz, cada uno de ellos con un ancho debanda de 5 MHz. La frecuencia central de cada canal puede calcularse como:FC = (2405 + 5*(k-11)) MHz, con k = 11, 12, 26.
Figura 23. Canales disponibles para el protocolo IEEE 802.15.4
Fuente. www.olimex.cl. Lunes 11 de mayo de 2009, 5:53p.m.
Se observa que hay 16 canales disponibles, sin embargo, los valores se asignandesde el 11 hasta el 26. Para calcular la frecuencia central se utiliza la siguientefórmula:
GhzCHCanal 005.011405.2 (1.7)
Donde CH equivale al número del canal entre 11 y 26. Así para cambiar de canalse utiliza el comando CH con el número de canal en formato hexadecimal. Esdecir, si se desea ocupar el canal 15 (0x10), se ingresa ATCH10.
Las radios utilizan un espectro de dispersión de secuencia directa. Se utiliza BPSKen los dos rangos menores de frecuencia, así como un QPSK ortogonal quetransmite dos bits por símbolo en la banda de 2,4 GHz. Ésta permite tasas detransmisión en el aire de hasta 250 kbps, mientras que las bandas inferiores sehan ampliado con la última revisión a esta tasa desde los 40 kbps de la primeraversión. Los rangos de transmisión oscilan entre los 10 y 75 metros, aunquedepende bastante del entorno. La potencia de salida de las radios suele ser de0 dBm (1 mW).
Si bien en general se utiliza CSMA/CA para evitar colisiones en la transmisión, hayalgunas excepciones a su uso: por una parte, las tramas siguen una temporizaciónfija que debe ser respetada; por otra, las confirmaciones de envíos tampoco
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siguen esta disciplina; por último, si se asignan slots de tiempo garantizados parauna transmisión tampoco es posible que exista contención.
Técnicas de Modulación.
ZigBee opera en dos bandas de frecuencia:
2.4 GHz con tasa máxima de transferencia de 250 Kbps, para este caso,modula en O-QPSK (Modulación con desplazamiento de fase en cuadraturacon desplazamiento temporal).
868-928 MHz para tasa de datos entre 20 y 40 Kbps, para este otro, modulaen BPSK (Modulación con desplazamiento de fase binaria).
Modulación OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying).
La modulación OQPSK consiste en realizar una transición de fase en cadaintervalo de señalización de bits, por portadora en cuadratura y se basa en lamodulación PSK que es una forma de modulación angular que consiste en hacervariar la fase de la portadora entre un número de valores discretos. La diferenciacon la modulación de fase convencional (PM) es que mientras en ésta la variaciónde fase es continua, en función de la señal moduladora, en la PSK la señalmoduladora es una señal digital y, por tanto, con un número de estados limitado.
Figura 24. Diferencia entre modulación QPSK y OQPSK
Fuente. http://www.scribd.com. Lunes 11 de mayo de 2009, 5:53p.m.
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Figura 25. Señal OQPSK
Fuente. http://www.scribd.com. Lunes 11 de mayo de 2009, 5:53p.m.
Modulación BPSK (Binary Phase Shift Keying).
En esta modulación se tiene como resultados posibles dos fases de salida para laportadora con una sola frecuencia. Una fase de salida representa un 1 lógico y laotra un 0 lógico. Conforme la señal digital de entrada cambia de estado, la fase dela portadora de salida se desplaza entre dos ángulos que están 180° fuera defase.
ZigBee y su espectro compartido con WLAN.
Un canal entre 868MHz y 868.6MHz, Ch1 hasta Ch10.
Diez canales entre 902.0MHz y 928.0MHz, Ch1 hasta Ch10.
Dieciséis canales entre 2.4GHz y 2.4835GHz, Ch11 hasta Ch26.
El estándar ZigBee especifica una sensibilidad en el receptor de -85dBm en labanda de los 2.4GHz. Y un sensibilidad de -92dBm en la banda 865/915MHz.
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Tabla 3. Comparación de tecnologías inalámbricas.
Fuente. http://www.scribd.com/doc/4559979/Zigbee. Lunes 11 de mayo de 2009, 6:33p.m.
Módulos Xbee.
Son dispositivos electrónicos para comunicación inalámbrica que utilizan elprotocolo Zigbee. Con los módulos Xbee, es posible crear redes más complejas,como las llamadas MESH. Estas permiten acceder a un punto remoto, utilizandomódulos intermedios para llegar como routers. Además los módulos
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automáticamente generaran la red entre ellos, sin intervención humana alguna,permitiendo la reparación de la red en caso de que algún nodo falle. Al mismotiempo la red por sí sola resuelve la mejor ruta para un determinado paquete.
Figura 26. Módulo Xbee de MaxStream
Fuente. http://www.olimex.cl. Lunes 11 de mayo de 2009, 5:53p.m.
2.1.4 Amplificadores operacionales.
Un amplificador operacional (A.O., habitualmente llamado op-amp) es un circuitoelectrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dosentradas y una salida.
Aunque es usual presentar al A.O. como una caja negra con característicasideales es importante entender la forma en que funciona, de esta manera se podráentender mejor las limitaciones que presenta.
Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los A.O.tienen básicamente la misma estructura interna, que consiste en tres etapas:
1. Amplificador diferencial: es la etapa de entrada que proporciona una bajaamplificación del ruido y gran impedancia de entrada. Suelen tener unasalida diferencial.
2. Amplificador de tensión: proporciona una ganancia de tensión.
3. Amplificador de salida: proporciona la capacidad de suministrar la corrientenecesaria, tiene una baja impedancia de salida y, usualmente, protecciónfrente a cortocircuitos.
Amplificadores de instrumentación.
Un amplificador de instrumentación es un dispositivo creado a partir deamplificadores operacionales. Está diseñado para tener una alta impedancia deentrada y un alto rechazo al modo común (CMRR). Se puede construir a base de
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componentes discretos o se puede encontrar encapsulado (por ejemplo elINA114).
La operación que realiza es la resta de sus dos entradas multiplicada por unfactor.
Su utilización es común en aparatos que trabajan con señales muy débiles, talescomo equipos médicos (por ejemplo, el electrocardiograma), para minimizar elerror de medida.
El amplificador operacional configurado como amplificador de instrumentación, esel circuito apropiado para esta aplicación, pues amplifica la diferencia de lassalidas del puente, y ya que el voltaje en modo común y el ruido son idealmenteiguales en ambas ramas, la resta da como resultado cero.
Amplificador instrumental AD620. (Analog Devices®).
El AD620 es un amplificador de instrumentación de alta precisión y bajo costo, quesólo requiere una resistencia externa para alcanzar ganancias de 1 a 1000.Además, el AD620 es un circuito encapsulado con 8 pines en un empaque de losmás pequeños y discretos diseñados, ofreciendo menor consumo de potencia(sólo 1.3mA máx.), lo cual lo hace propicio para aplicaciones con batería,portátiles o remotas.
Figura 27. AD620AN
Fuente. http://www.geocities.com/CapeCanaveral. Martes 19 de mayo de 2009, 5:55p.m.
Funcionalidad del amplificador instrumental AD620.
El circuito del puente de Wheatstone, en el sensor, que utiliza el proyecto aportainformación sobre la medición a manera de una señal diferencial de voltaje en elorden de los milivoltios, pero no contienen información útil sobre lo que se quieremedir.
Adicionalmente se inducen señales de corriente alterna en la entrada delconversor, ocasionadas por el ruido.
Se define el voltaje en modo común como:
58
2
VbVaVmc
(2.8)
El amplificador operacional configurado como amplificador de instrumentación, esel circuito apropiado para esta aplicación, pues amplifica la diferencia de lassalidas del puente, y ya que el voltaje en modo común y el ruido son idealmenteiguales, la resta da como resultado cero. Sin embargo en la práctica esto nosucede, teniéndose un límite para eliminar el voltaje en modo común, estapropiedad se conoce como la relación de rechazo en modo común (CMRR). Lascaracterísticas ideales que se buscan en este circuito son:
Alta impedancia de entrada.
Impedancia de salida nula.
CMRR infinita.
Ganancia diferencial regulable.
Existen varias formas de implementar un amplificador de instrumentación, pero lamás clásica utiliza tres amplificadores operacionales, como se muestra en lafigura.
Figura 28. Amplificador de Instrumentación en Base a tres operacionales.
Fuente. ROBERT F. COUGHLIN, Amplificadores operacionales y circuitos integradoslineales. Martes 19 de mayo de 2009, 6:05p.m.
Este circuito está formado por dos amplificadores no inversores como entrada,seguidos por un amplificador diferencial.
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Sus mayores ventajas son el acoplamiento de impedancias de entrada y salida, ellazo de realimentación está totalmente aislado de la señal de entrada, yfinalmente, la ganancia se establece con una sola resistencia, Rg.
Al existir realimentación negativa se puede considerar un cortocircuito virtual entrelas entradas inversora y no inversora (símbolos - y + respectivamente) de los dosoperacionales de entrada. Por lo tanto se tendrá la señal del puente en losextremos de la resistencia Rg y circulará una corriente por la misma:
RgVVI G
112
(2.9)
Debido a la alta impedancia de entrada del operacional, esa corriente serála misma que atraviesa las resistencias R1 y en consecuencia la tensión que caeen toda la rama formada por Rg, R1 y R1 será:
RgermedioV RVV 1
12
21int
(2.10)Vintermedio es la diferencia de tensión entre la salida inmediata de los dosoperacionales justo antes de las resistencias R2. El resto del circuito es unrestador de ganancia 1, así que la salida es la misma diferencia de tensión de laentrada:
RgVout RVV 1
12
21
(2.11)
Este amplificador puede construirse fácilmente pero las resistencias R1 y R2deben ser cuidadosamente escogidas para obtener una aceptable relaciónde rechazo en modo común. Afortunadamente una alternativa sencilla yeconómica son los circuitos integrados que funcionan bajo el mismoprincipio, pero con mejores características, esto se debe a que los fabricantesestán en capacidad de garantizar el diseño y la precisión de los elementos críticos.
Uno de los circuitos integrados basados en la configuración de tres operacionaleses el AD620 de la Analog Devices. Se escogió este integrado, ya que cuenta concaracterísticas mejoradas que le dan buena precisión, una buena CMRR yun costo accesible. El AD620 tiene el esquema que se muestra en la figura.
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Figura 29. Esquema Simplificado del AD620
Fuente. ROBERT F. COUGHLIN, Amplificadores operacionales y circuitos integradoslineales. Martes 19 de mayo de 2009, 6:13p.m.
Los transistores Q1 y Q2 proveen una entrada diferencial bipolar de alta precisión,el lazo de realimentación se realiza a través Q1-A1-R1 y Q2-A2-R2, el restadorunitario es el operacional A3, que se encarga de remover la señal en modo comúny entregar una salida referida al pin REF. La resistencia Rg determina la gananciade voltaje y la transductancia de la etapa de preamplificación. Esta últimacaracterística permite regular los errores relativos a la ganancia y el ruidodel voltaje de entrada. Las resistencias R1 y R2 tienen un valor de 24.7 KΩ dandouna mayor precisión a la relación de rechazo en modo común.
Figura 30. Distribución de Pines del AD620.
Fuente. www.analogdevices.com. Martes 19 de mayo de 2009, 6:18p.m.
La resistencia Rg se coloca entre los pines 1 y 8, la salida puede medirseentre los pines 6 y 5, la alimentación positiva entra en el pin 7 y la negativa enel pin 4.
La ganancia puede establecerse con la ecuación:
14.49
Rg
KG
(2.12)
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Algunas de las especificaciones del AD620 se muestran en siguiente la tabla:
Tabla 4. Especificaciones del AD620.
Fuente. www.analogdevices.com. Martes 19 de mayo de 2009, 6:33p.m.
2.1.5 Módulo LCD (Liquid Crystal Display).
Es una pantalla delgada y plana formada por un número de píxeles en color omonocromos colocados delante de una fuente de luz o reflectora. A menudo semaneja en dispositivos electrónicos de pilas, ya que utiliza cantidades muypequeñas de energía eléctrica. Del mismo modo es una interfaz visual muyutilizada, cuando se trata de mostrar mensajes cortos, como es el caso de esteproyecto.
El módulo LCD lleva integrado a sus circuitos una memoria ROM conocida como“generador de caracteres” que crea los patrones de la matriz de puntos paraformar los caracteres en la pantalla. También tiene una RAM interna quealmacena los caracteres y los exhibe.
Figura 31. LCD 16x2.
Fuente. www.szlcd.com Lunes 11 de mayo de 2009, 6:15p.m.
Las LCDs estas están construidas por dos líneas de 16 caracteres cada una, yestán normalmente formados por 5x8 puntos, de esta forma se puede visualizarcasi cualquier carácter. Hay una pequeña diferencia entre la de 14 pines con
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respeto a las que se consiguen en el mercado nacional; y es dos pines más paraun total de 16, estos son un LED (Back Light), pin15 cátodo (GND) y pin 16 ánodo(Vcc).
El diagrama general de conexiones del display se muestra en la figura de abajo.En su aplicación más simple, se desea solo escritura al LCD y el pin 5 se conectapermanentemente a tierra.
Todas las señales de datos y control llevan niveles TTL (0 a 5 volts), conexcepción de la señal de control de intensidad, en el cual hay que aplicar tierrapara la mayor intensidad y 5 volts para la menor.
Figura 32. Diagrama general de conexiones del display LCD.
Fuente. http://www.puntoflotante.net/PROY_LCD.htm. Martes 19 de mayo de 2009, 6:39p.m.Operación.
En la interfaz de 14 pines, 8 son señales de comandos y datos. Estos datos semanejan en códigos ASCII y se escriben en la memoria del LCD en formasecuencial. A través de estas mismas señales pueden escribirse tambiéncomandos.
Tabla 5. Distribución de señales de la interfaz.PIN FUNCION PIN FUNCION1 Tierra 8 DB12 5 volts. 9 DB2
3 INT Control intensidad 10 DB34 RS 0=comando 1=datos 11 DB4
5 R/W 0=escribir , 1=leer 12 DB56 EN Enable modo pulso 13 DB6
7 DB0 14 DB7Fuente. http://www.puntoflotante.net/PROY_LCD.htm. Martes 19 de mayo de 2009, 6:49p.m.
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Amplificadores de muestreo y retención. (SAMPLE & HOLD).
La señal proveniente del amplificador instrumental AD620, entra a un circuito demuestreo y retención para lograr mantenerla durante un lapso de tiempo, ya queestá no mantiene un nivel estable, pueda ser entendida por el conversor delmicrocontrolador.
Cuando la señal de entrada no puede considerarse DC, no es deseable quedurante el intervalo de muestreo varíe más de ½ LSB (Low Significative Bit), paraevitar la ambigüedad en la cuantificación y por tanto el error, ya que de ser asíesté sería inaceptable. Consecuentemente se hace necesario un circuito quemantenga estable el valor de la señal mientras dure el muestreo.
Los circuitos de muestreo-retención toman una muestra de la señal (Sample) ymantienen fijo su valor (hold) hasta que el ADC haya realizado la conversión.Estos circuitos se basan en condensadores para conseguirlo.
Figura 33. Función básica del circuito muestreo y retención.
Fuente. http://www.uv.es/ramirez/Docencia/IE/S_H.pdf. Martes 19 de mayo de 2009, 6:43p.m.
Función: capturar la señal analógica y mantenerla durante un cierto tiempo parasu conversión a señal digital (ADC).
Razones: al digitalizar la señal es necesario tener una señal estable durante eltiempo de conversión.
Amplificador Sample and Hold LF398.
Este circuito integrado es un sample-and-hold monolítico que utilizan la tecnologíade BI-FET para obtener ultra-alta impedancia DC, con una alta velocidad deadquisición de la señal.
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Figura 34. Esquema Simplificado del LF398.
Fuente. http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/L/F/3/9/LF398.shtml. Miércoles20 de mayo de 2009, 8:33a.m.
El tiempo de adquisición esta en función del condensador externo y de la precisióndeseada, se puede conseguir un mínimo de 6 μs con una precisión del 0.01%, óde 3 μs (1%). Para ello, el condensador debe ser de 1 nF.
Figura 35. Diagrama de pines del LF398.
Fuente. http://www.datasheetcatalog.net/es/datasheets_pdf/L/F/3/9/LF398.shtml. Miércoles20 de mayo de 2009, 8:50a.m.
Características.
Opera de ± 5V a ± 18V de alimentación.
Menos de 10 μs tiempo de adquisición.
TTL, OGP, entrada lógica CMOS compatible.
0,5 mV paso típico de retención a Ch. = 0,001 μF.
Entrada de offset bajo.
0,002% de ganancia de impedancia.
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Baja salida de ruido en el modo de retención.
Las características no cambian durante el modo de retención.
Amplio ancho de banda.
2.2 MARCO LEGAL O NORMATIVO
2.2.2 Resolución 1689 de 2007.
El Ministerio de Comunicaciones expidió la Resolución 1689 del 12 de junio de2007 la cual modifica la Resolución 689 de 2004 en el sentido de permitir la libreutilización de dispositivos con antenas omnidireccionales y potencias superiores a100 mW, teniendo en cuenta los avances tecnológicos en la materia, evitandorestringir el uso libre del espectro para la utilización de aparatos y dispositivosinalámbricos de banda ancha y baja potencia y la comercialización de los mismosen el país.
2.2.2 Artículo 75 de la Constitución Política de Colombia de 1991.
El espectro electromagnético es un bien público inenajenable e imprescriptiblesujeto a la gestión y control del Estado. Se garantiza la igualdad de oportunidadesen el acceso a su uso en los términos que fije la ley. Para garantizar el pluralismoinformativo y la competencia, el Estado intervendrá por mandato de la ley, paraevitar las prácticas monopolísticas en el uso del espectro electromagnético.
Los artículos 101 y 102 de la Constitución Política, establecen que el espectroradioeléctrico es un bien público que forma parte de Colombia y pertenece a laNación.
Artículo 18 del Decreto 1900 de 1990, establece que el espectroelectromagnético es de propiedad exclusiva del Estado, cuya gestión,administración y control corresponden al Ministerio de Comunicaciones.
Conforme a la Resolución 526 de 2002, los permisos para el uso del espectroradioeléctrico para acceso fijo inalámbrico, se otorgarán en virtud de actuaciónadministrativa de oficio por el Ministerio de Comunicaciones, la cual se iniciará pordecisión del Ministerio o a solicitud de parte en ejercicio del derecho de petición eninterés general.
2.2.3 Protocolo IEEE 802.15.4.
Debido a que la comunicación inalámbrica seleccionada para el proyecto es porradiofrecuencia, específicamente ZigBee la cual esta basada en el protocolo IEEE
66
802.15.4 que es un estándar que define el nivel físico y el control de acceso almedio de redes inalámbricas de área personal con tasas bajas de transmisión dedatos (low-rate wireless personal area network, LR-WPAN). En 2007, la actualrevisión del estándar se aprobó en 2006. El grupo de trabajo IEEE 802.15 es elresponsable de su desarrollo.
También es la base sobre la que se define la especificación de ZigBee, cuyopropósito es ofrecer una solución completa para este tipo de redes construyendolos niveles superiores de la pila de protocolos que el estándar no cubre.
2.2.4 Cuadro Nacional de atribución de bandas de frecuencias del Ministeriode Comunicaciones.
Según este documento en el Capítulo V, correspondiente a las Notas Nacionales,que han sido realizadas tomando como base las leyes, decretos y resolucionesque en materia de comunicaciones se encuentran vigentes para la República deColombia.
CLM 98. De acuerdo con la Resolución 000689 de 21 de abril de 2004, seatribuyen en las bandas de frecuencias comprendidas entre 902 – 928 MHz, 2 400– 2 483,5 MHz, 5 150 – 5 250 MHz, 5 250 – 5 350 MHz, 5 470 – 5 725 MHz y 5725 – 5 850 MHz; para ser utilizadas libremente por parte del publico en general atitulo secundario, en la prestación de servicios de telecomunicaciones que utilicenen su operación sistemas de acceso inalámbrico y redes inalámbricas de árealocal, que empleen tecnologías de espectro ensanchado y modulación digital, debanda ancha y baja potencia, sobre una base de no-interferencia y no protecciónde interferencia, en las condiciones de operación descritos en el articulo 6º y 7º dela citada Resolución.
CLM 99. De acuerdo con la Resolución 000689 de 21 de abril de 2004, seatribuye las bandas de frecuencias comprendidas entre 2 300 – 2 400 MHz; a titulosecundario, para ser utilizadas en aplicaciones de la prestación de servicios detelecomunicaciones que utilicen en su operación sistemas de acceso inalámbrico yredes inalámbricas de área local, que empleen tecnologías de espectroensanchado y modulación digital, de banda ancha y baja potencia, previo registroante el Ministerio de Comunicaciones, en las condiciones de operación descritosen el articulo 6º para los sistemas de acceso inalámbrico en la banda de 2 400 – 2483,5 MHz de la citada Resolución.5
5 Disponible enhttp://www.mincomunicaciones.gov.co/mincom/src/user_docs/Archivos/Sectorial/CuadroAtribucion.pdf .Lunes 18 de mayo de 2009, 8:18p.m.
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De acuerdo con la resolución 000797 de 8 de Junio de 2001, por la cual seatribuyen unas bandas de frecuencias radioeléctricas para su libre utilizacióndentro del territorio nacional:
Tabla 6. Banda de frecuencias radioeléctricas para aparatos transreceptores con bajosniveles de potencia o de intensidad de campo.
BANDA DEFRECUENCIAS
(MHz)
LÍMITE DE POTENCIA ODE
INTENSIDAD DE CAMPO
APLICACIÓN
2400,0 a 2483,550 mV/m a 3 metros
máximo 100 mW
Tecnología BLUETOOTH.Aparatos de telecomunicacióninalámbricos para enlaces radioeléctricospunto a punto entre equipos electrónicos,dispositivos periféricos, computadoras yredes LAN.
915 a 924y
5150 a 5250
50 mV/m a 3 metros
máximo 100 mW
Aparatos de telecomunicacióninalámbricos para enlaces radioeléctricospunto a punto entre equipos electrónicos,dispositivos periféricos, computadoras yredes LAN.
Fuente. www.mincomunicaciones.gov.co. Lunes 18 de mayo de 2009, 7:42p.m.
2.2.5 Norma técnica NTS-TS Sectorial Colombiana 004 ICONTECEstablecimientos gastronómicos y bares requisitos de sostenibilidad.
De acuerdo al numeral 3.2.7 Mejora continua, el establecimiento gastronómicoo el bar deben plantear y continuamente acciones encaminadas al mantenimientoy mejoramiento de su gestión en el ámbito de la sostenibilidad.
De acuerdo al numeral 3.5.4 Satisfacción del cliente, el establecimientogastronómico o el bar deben medir y registrar el grado de satisfacción de losclientes en relación con su actividad y aplicar medidas de acuerdo con losresultados obtenidos, en búsqueda de mejorar la satisfacción de los mismos.6
6 Disponible enhttp://www.mincomercio.gov.co/eContent/Documentos/turismo/NormasTecnicas/NTS-TS004.pdfLunes 18 de Mayo de 2009, hora 8:49p.m.
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3. METODOLOGÍA
3.1 ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN
El enfoque de esta investigación es empírico-analítico debido a que el productofinal de ésta será la verificación experimental de lo propuesto. Además esteestudio va dirigido a la recopilación de información que se analizará paradeterminar la tecnología, el tipo de sensor y el sistema electrónico de mayorconveniencia para utilizar.
Posteriormente se harán ensayos, pruebas y diseños experimentales con dichossistemas electrónicos y de acuerdo con estos modelos, se determina el circuitofinal y sus respectivos componentes electrónicos, como también el tamaño y elmaterial en el que será construido el portavasos, según necesidades.
Específicamente, el proceso para alcanzar los objetivos propuestos es enprincipio, la investigación dividida en bloques de cada etapa, con su respectivodiseño, montaje y pruebas, para finalmente acoplarlas y construir el producto final.
3.2 LINEAS DE INVESTIGACIÓN
Este proyecto pertenece a una línea de investigación con un proceso innovador yactual, como lo es las telecomunicaciones, la instrumentación industrial y losmicrocontroladores programables, además esta dirigido a distintos tipos desectores comerciales, que estarían interesados en obtener mejoras de tipotecnológico para incrementar los beneficios de sus negocios, traducido comoaportes a la sociedad. Por lo tanto pertenece a la línea institucional tecnologíasactuales y sociedad.
La sublinea de la facultad a la cual se suscribe este proyecto es instrumentacióny control de procesos, esto debido a que este proyecto esta basado en unsistema de control aplicado en un campo de la industria, que puede ser deproyección profesional de acuerdo a lo buscado por la línea de investigación de lafacultad de ingeniería.
Conjuntamente, dentro del nodo de ingeniería electrónica este proyecto esvinculado al campo de investigación de control y comunicaciones, puesto quese realizan distintas aplicaciones e investigaciones, mediante diseño eimplementación de la ingeniería electrónica, enfocados en la comunicación,inalámbrica para este caso y de control y automatización del proceso antesmencionado.
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3.3 TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN
Para el desarrollo de este proyecto es necesario hacer una gran recopilación deinformación del funcionamiento de cada uno de los componentes electrónicos delproyecto, esta recolección se hace por medio de Internet, libros especializados ydocumentos técnicos.
Así mismo, se realizó una encuesta acerca de la utilidad y de lo innovador quepuede ser la implementación del portavasos en un establecimiento de consumo debebidas; realizada a clientes y tenderos en una zona de alta concentración debares y restaurantes en Bogotá.
La encuesta y ficha técnica de resultados se encuentra en los anexos (B) y (C).
3.4 POBLACIÓN Y MUESTRA
Por medio de la encuesta realizada se puede verificar que el desarrollo delproyecto es viable y de gran utilidad en la sociedad colombiana. Dicha encuestaarrojo resultados que denotan el interés de los clientes por la innovacióntecnológica, en cualquier estatus social, pero con cierto escepticismo por parte delos tenderos en locales de reducido presupuesto.
3.5 HIPÓTESIS
Si la comunicación en sitios concurridos y con necesidad de servicio, está limitadaa señas, sonidos fuertes o tener que alzar la voz; se puede decir que la creaciónde un dispositivo electrónico que permita la comunicación de forma automatizada,indicando que el vaso en que se consume una bebida esta desocupándose ynecesita ser llenado nuevamente, logrará una mejor comunicación entre el clientey quien atiende, generando beneficios mutuos.
Además de que si se realiza evitando el uso de cables, genera una ventaja deubicación y espació, obviando el hecho de que solicitar servicio sea una tareaincomoda y que no se realice por incomunicación.
Mediante el desarrollo de la tecnología y en específico con la ingenieríaelectrónica, se puede construir un dispositivo electrónico en un portavasos, quecon sistemas de control y comunicación inalámbrica, logren enviar una señal dealerta, para que la persona que atiende se de cuenta que el cliente necesita másbebida.
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3.6 VARIABLES
3.6.1 Variables independientes.
Una variable importante es el peso, debido a que estará cambiandoconstantemente y no dependerá del portavasos sino del consumo.
La alimentación que energiza el portavasos esta limitada a la capacidad deduración de la batería utilizada.
El consumo de corriente de cada uno de los componentes, ya que dependede la capacidad dada por el fabricante y no del dispositivo.
Los datos almacenados por el portavasos, al ser programado en vacío y enlleno dependerán del peso y capacidad del vaso, además de la densidad dela bebida.
3.6.2 Variables dependientes.
La capacidad del sensor, en este caso, la celda de carga la cual tiene unalcance de 5 kilogramos que al ser excedida la averiara.
El alcance del modulo XBee implementado en el portavasos. En campoabierto es de 100 metros y cerrado 30 metros.
El software implementado deberá ser probado confirmando que trabajacorrectamente de esto dependerá el buen funcionamiento del dispositivo.
El direccionamiento de los portavasos y el identificador ID para que larecepción del número de portavasos sea correcta y evite interferencias.
Retrazo de la visualización en la recepción, del requerimiento de servicio,debido al envío de varias señales al mismo tiempo por parte de losportavasos.
Los datos procesados por el microcontrolador deben ser correctos, es decir,tanto para sacar la diferencia, el porcentaje y el calculo de nivel, de estemodo indique que el vaso esta apunto de vaciarse, para poder enviar laseñal de alarma en un paquete RF.
71
4. DESARROLLO INGENIERIL
4.1 DESCRIPCIÓN DEL DISPOSITIVO
La investigación consiste en el diseño y construcción de un sistema tecnológico deayuda, que soporte el proceso de comunicación del cliente y quien atiende en unestablecimiento de venta de bebidas, consiste en un dispositivo electrónicoincorporado en un portavasos que mide el peso de un vaso vacío y posteriormenteel peso de un vaso lleno para realizar el cálculo de la diferencia de los dos datostomados. Con esta información, se basa en una tabla previamente especificadapor programación, para determinar el porcentaje de rango en el cual enviara señalal modulo receptor. Dicho porcentaje esta calculado para distintos tipos y pesos devasos y esta diseñado para que en el momento en que al usuario se le esteterminando la bebida, que esta consumiendo, envíe la señal inalámbrica de alerta.
Para realizar este proceso toma la señal de la celda de carga, la filtra y laamplifica, consecutivamente va a un circuito de muestreo y retención que permitesu obtención más estable para el conversor análogo/digital incluido en elmicrocontrolador que se encarga del proceso de conversión y control de la misma.
En el momento en que el microcontrolador esta en nivel de alarma, envía el datopor radiofrecuencia hasta el receptor, que esta conformado por un modulo de lasmismas características. El dato recibido por este módulo es transmitido a otromicrocontrolador que lo procesa y finalmente lo visualiza con un mensaje de alertaen una pantalla de cristal líquido (LCD), activando simultáneamente una pequeñaalarma sonora y una luz de aviso.
Una vez visualizado el mensaje de necesidad de servicio en el portavasos, esnecesario pulsar un botón para suspender el llamado, después de haber sidoatendido el cliente, de lo contrario permanecerá en el estado de alerta.
Este dispositivo esta en capacidad de recibir la señal simultanea de variosportavasos, almacenándolos en modo de espera, mientras es captada lainformación anterior.
Las características generales de este portavasos son: que sea inalámbrico, portátily versátil para cualquier tipo de vaso y bebida, además de que quien atiendepueda visualizar claramente en que portavasos se necesita servicio.
El dispositivo se desarrollará mediante los módulos de comunicación, transmisióny recepción, de control y alimentación.
72
4.1.1 Diagrama de bloques.
Figura 36. Diagrama de bloques Tx.
555
Fuente. Autores. Miércoles 20 de mayo de 2009, 9:15a.m.
Figura 37. Diagrama de bloques Rx.
Fuente. Autores. Miércoles 20 de mayo de 2009, 9:27a.m.
73
4.1.3 Celda de carga.
El sensor de peso del portavasos es la celda de carga, en su selección seconsideró, entre otros factores, el valor máximo del peso a detectar. Lamás conveniente resulta ser la de punto único, no solo por cumplir con lacapacidad de carga, sino, por ser una de las más económicas, tener diseñocompacto, buena linealidad y ser de simple colocación en la estructura.Esquemáticamente se tiene:
Figura 38. Esquema de colocación de la celda de punto único.
Fuente. http://es.rs-online.com. Miércoles 20 de mayo de 2009, 9:35a.m.
Las especificaciones técnicas de la celda de carga están dadas por el fabricanteen la siguiente tabla:
Tabla 7. Especificaciones técnicas de la celda de carga.Parámetro Unidad Valor
Capacidad kg 5Sensitividad mV/V 1.5Tamaño máximo de la plataforma cm 15 x 15Limite de carga %Cap. 150Limite de ruptura %Cap. 200Excitación nominal V 5Excitación máxima V 15Impedancia de entrada Ohm 1100 ± 10Impedancia de salida Ohm 1000 ± 5Tipo de circuito de compensación Puente balanceadoCódigo de color + excitación = rojo, + señal = blanco
- excitación = negro, -señal = azulConstrucción Aluminio
Fuente. http://www.bciltda.com. Miércoles 20 de mayo de 2009, 10:12a.m.
Estos datos pueden ser interpretados de la siguiente forma:
La capacidad es el peso máximo al que se puede someter a la celda e incluye elpeso muerto, el peso neto máximo y la tolerancia.
74
Capacidad = Peso muerto + Peso neto max + Tolerancia(4.1)
La plataforma de pesaje y su soporte forman parte del peso muerto.
La sensitividad indica el voltaje que entrega el circuito de la galga por cada voltiode excitación, cuando está sometida al peso máximo. La alimentación de 12voltios está en el rango dado por el fabricante y puede usarse para la energizacióndel resto de los circuitos del portavasos.
Señal Max. = Sensitividad x Voltaje de excitación
mVVV
mVSeñalMax 18125.1.
(4.2)
El voltaje máximo de la señal será de 18mV cuando el peso sea de 5kg. Con estevalor se puede diseñar el acondicionamiento de la señal. Si la capacidad y lacarga son iguales, se puede expresar en la ecuación como sigue:
Capacidad
aCxcitaciónVoltajedeeadSensitividSeñalMax
arg.
(4.3)
Así para poder encontrar la señal de una carga cualquiera se tiene:
kg
kgaCVVmVSeñal
5
arg12/5.1
(4.4)
kgaCmVSeñal arg6.3 (4.5)
La ecuación 4.5 es ideal, por lo que se requiere obtener una curva defuncionamiento para determinar el verdadero comportamiento de la celda.
Los límites de carga y de ruptura obedecen al comportamiento de la celda misma,y para este caso indican los siguientes valores:
Limite Carga = (1.5).(5kg) = 7.5kg(4.6)
Limite de ruptura = (2) . (5kg) = 10kg(4.7)
75
El circuito de compensación es un puente balanceado, esto implica que se tienedos galgas, una en operación como sensor y otra para compensación detemperatura que no aporta a la medición. Estas dos galgas se localizan en uncuarto puente de Wheastone en la celda, al cual se accede mediante cuatrocables codificados por colores. Los cables rojo y negro se conectan a la excitacióndel puente y en los cables blanco y azul se tiene las señales de medición positivay negativa respectivamente.
Debido al comportamiento de la galga, al ir colocando pesos sobre esta no estotalmente lineal, por lo tanto es necesaria la obtención matemática experimentalde dicho comportamiento, para hacerlo se colocaron pesos de 40 en 40 gramoscon las medidas de los vasos de bebidas mas comunes y se midió el voltaje quese presenta a la salida del puente, se realizo con 40g debido a que después devarias pruebas se logró obtener que la variación en milivoltios se da a este valor.
Tabla 8. Comportamiento de la celda de carga.Peso (gr) Voltaje (mV)
0 2.540 2.680 2.7
120 2.8160 2.9282 3.2322 3.3362 3.4487 3.7527 3.8575 3.9607 4.0701 4.2741 4.3821 4.5861 4.6988 4.9
1150 5.31207 5.41851 7.02357 8.33000 9.93570 11.785000 16.5
Fuente. Autores. Miércoles 20 de mayo de 2009, 2:10p.m.
76
Figura 39. Voltaje de salida Vs. Peso de entrada en la celda de carga.
0 550 1100 1650 2200 2750 3300 3850 4400 4950
5
7.5
10
12.5
15
17.5
2.5
Peso (gr)
Voltaje (mV)
Fuente. Autores. Miércoles 20 de mayo de 2009, 11:34p.m.
Según la grafica anterior el comportamiento de la celda presenta una forma linealentre el peso que se le pone a la celda y el voltaje que se mide a la salida delpuente. Con esta medida es posible conocer la cantidad de voltaje que va alacondicionador de señal de acuerdo al peso del vaso que se le aplique.
Este tipo de celda de carga fue seleccionado por las siguientes razones:
Tamaño: debido a que la celda será implementada en un portavasos y estea su vez debe ser de dimensiones acordes al común del mercado, esnecesario que cada dispositivo en el proyecto sea de tamaño pequeño, eneste caso esta celda es la mas pequeña conseguida en el mercadocolombiano.
Capacidad: de acuerdo al peso estándar de los vasos que se encuentrancomúnmente en los establecimientos de consumo de bebidas, su peso noexcede, en su mayoría, de los 4kg cuando están llenos. Esta celda fueseleccionada con un rango un poco mayor para evitar posibles daños.
Sensibilidad: para que el portavasos este en la capacidad de verificar lavariación de los más mínimos cambios en el líquido, es necesario que lacelda de carga tenga esta propiedad.
77
4.1.3 Acondicionamiento de señal.
Filtrado de la señal.
Entre las primeras pruebas realizadas en el sensor, se captó en el osciloscopiodigital la señal de salida del mismo, en la siguiente figura se puede observar dichaseñal.
Figura 40. Señal del Sensor en el Osciloscopio Digital.
Fuente. Autores. Miércoles 20 de mayo de 2009, 11:39p.m.
En la imagen se evidencia la presencia de ruido de alta frecuencia, que puede sercausado por la fuente de alimentación o interferencias de radio frecuencia. Unapequeña parte de este ruido no es eliminado por el amplificador, más bien serectifica y amplifica, provocando un error DC a la salida; esto se debe a que aúnlos mejores amplificadores de instrumentación no tienen rechazo al modo común afrecuencias sobre los 20 Khz., haciendo necesario un filtro pasa bajo tanto para elmodo diferencial como para el modo común, que debe ser puesto antes delamplificador para evitar la rectificación de la señal de ruido en la etapa de entrada.El fabricante del circuito integrado AD620, el cual se utiliza para la amplificación dela señal entregada por la celda, recomienda la configuración de la figura.
78
Figura 41. Circuito para Filtro Pasa Bajas.
A D620
Fuente. www.analogdevices.com. Jueves 21 de mayo de 2009, 08:29a.m.
Se puede apreciar que el filtro forma un puente cuyas entradas están a través delos pines de acceso de la señal. Por este motivo, cualquier desigualdad entre lasconstantes de tiempo C1a/R1a y C1b/R1b va a desequilibrar el puente y reducir elrechazo en modo común a las altas frecuencias, es necesario entonces que losresistores R1a y R1b y los capacitores Cb1a y C1b sean iguales.
El capacitor C2 está conectado a través de la salida del puente, haciendo unparalelo con la serie de C1a y C1b. Con esto se puede reducir el error en CMRRdebido a la desigualdad de las constantes de tiempo antes mencionadas,haciendo que C2 sea al menos 10 veces mayor que C1.
Configurado el filtro tiene dos anchos de banda: diferencial y en modo común. Elancho de banda diferencial define la frecuencia de respuesta del filtro a señales deentrada diferenciales aplicadas. Esta constante de tiempo se establece por lasuma de los resistores R1a y R1b con la capacitancia diferencial de C2 en paralelocon la serie de C1a y C1b. El ancho de banda de -3dB del filtro diferencial es igualal de la ecuación.
CCRBWdif
12122
1
(4.8)
El ancho de banda en modo común define la frecuencia de las señales que entranal amplificador. C2 no afecta este ancho de banda por estar conectado entre lasdos entradas. Por esto el ancho de banda de -3dB está dado por el paralelo de lasimpedancias de las redes RC formadas por R1a/C1a y R1b/C1b, como se ve en laecuación.
79
CRBWcm
112
1
(4.9)
Se debe tomar en cuenta que el valor de los resistores en serie debe sermanejado por el sensor y no contribuir con un ruido mayor.
Amplificación de la señal.
Utilizando el AD620 se puede amplificar la señal del sensor para la conversiónanáloga/digital. A causa del voltaje de alimentación del circuito y la saturación delamplificador, el valor máximo que entregará éste será 7V, cuando el peso seamáximo. Teóricamente se sabe que el valor máximo de voltaje que entrega elsensor es de 16.5 mV. Teniendo en cuenta que el conversor análogo/digital delmicrocontrolador solo soporta hasta 5 voltios, y tomando también las pruebasrealizadas con los diferentes tipos de vasos, se determinó que el máximo rangoque puede tomar el sensor en voltaje con un vaso lleno es de 11.78 mV. A partirde estos valores se puede determinar la ganancia de voltaje:
42578.11
5
mV
VG
VV
in
O
(4.10)
Con el valor de la ganancia y la ecuación (2.12) se calcula la resistencia externaRg del amplificador:
5.116424
4.49
1
4.49 k
G
kRg
(4.11)
El valor normalizado más cercano es: Rg = 120Ω
La ganancia queda:
66.4121120
4.49
k
Rg
(4.12)
La referencia escogida para la señal de salida es la tierra de la fuente, así seopera en todo el rango de 0 a 5 V.
80
Para realizar el diseño de esta etapa el fabricante proporciona la característicatípica de CMRR del amplificador de instrumentación.
Figura 42. Curva Típica de CMRR vs. Frecuencia, Relativo a la entrada.
Fuente. www.analogdevices.com. Jueves 21 de mayo de 2009, 08:45a.m.
Para una ganancia de 100, como en el caso del acondicionador, la curva indicaque para una frecuencia de 10KHz, la CMRR ha caído de 140 dB a 80 dB, lacaracterística ha disminuido casi a la mitad, entonces para el filtro se debeescoger una frecuencia de corte menor a ésta. Se escogió entonces 5KHz comofrecuencia de corte en modo común.
Para el modo diferencial, se trató de no sobrepasar los valores recomendados porel fabricante para los resistores y capacitores. Se escogió una frecuencia de corte50Hz en modo diferencial. El resto de frecuencias se eliminan en el amplificadorde instrumentación o mediante un filtro digital implementado en elmicrocontrolador.
Con estos valores de frecuencia, el primer paso es escoger las resistencias enserie, se seleccionó: Ra1 = Rb1 = 30 k . A partir de la siguiente ecuación secalcula el valor de los capacitores C1a y C1b.
pFHzkC 03.1061
5000302
11
(4.13)
Tomando el valor normalizado más próximo: C1a = C1b = 1000pF.
81
Con el valor de C1 y a partir de la ecuación 4.8 se puede calcular C2:
F
pFHzk
C
052.02
100050302
1
2
(4.14)
Escogiendo el valor normalizado más próximo: C2 = 0.047μF
Los anchos de banda calculados serían:
HzpFFk
BWdif 8.551000047.02302
1
(4.15)
kHzpFk
BWcm 3.51000302
1
(4.16)
Finalmente el circuito del amplificador incluido el filtro se ilustra en la figura.
Figura 43. Circuito Amplificador Incluido el Filtro.
Fuente. Autores. Jueves 21 de mayo de 2009, 08:45p.m.
El fabricante además recomienda agregar un capacitor de 0.01μF y uno de 0.33μFen los pines de alimentación para atenuar el efecto del rizado de la fuente.
82
Siendo estos valores teóricos, es indispensable determinar la curva defuncionamiento del sensor a través de mediciones, luego de que la señal hayasido amplificada y filtrada.
Curva de funcionamiento.
Una vez que se ha filtrado y amplificado la señal del sensor, se midió su respuestaal peso aplicado, determinando la curva de funcionamiento y cual es el valor depeso en el que el conversor análogo/digital se sobrepasa de su capacidad.
Tabla 9. Comportamiento de la celda de carga con voltaje amplificado.
Peso (gr.) Voltaje (mV) Voltajeamplificado (V)
0 2.5 1.07040 2.6 1.11080 2.7 1.153
120 2.8 1.193160 2.9 1.232282 3.2 1.368322 3.3 1.402362 3.4 1.447487 3.7 1.578527 3.8 1.615575 3.9 1.672607 4.0 1.7701 4.2 1.808741 4.3 1.827821 4.5 1.912861 4.6 1.966988 4.9 2.082
1150 5.3 2.2521207 5.4 2.2951851 7.0 2.9752357 8.3 3.5273000 9.9 4.2073570 11.78 55000 16.5 7.0125
Fuente. Autores. Viernes 22 de mayo de 2009, 6:30a.m.
El peso máximo de capacidad del conversor AD es 3570g (5V) lo cual implica queel peso del líquido capaz de soportar el portavasos es de 3000g,aproximadamente, descontando el peso de un vaso promedio de 500g. Para unabebida que tenga la densidad del agua, que es 1, tendría la capacidad de 3000mL
83
ó 3 Litros, esto es un valor de aceptación alto, ya que esta muy por encima de lacapacidad de los vasos comunes que se encuentran en el mercado, llegando aestar en posibilidad de soportar jarras y vasos de dimensiones superiores a lasnormales.
Figura 44. Curva de funcionamiento con voltaje de salida del sensor amplificado.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
1 2 3 4 5 6 7
Voltaje AmplificadoPeso (g)
Voltaje (V)Fuente. Autores. Viernes 22 de mayo de 2009, 7:12a.m.
En la figura se puede apreciar la linealidad y proporcionalidad del peso contra elvoltaje a la salida del amplificador, de esta manera se obtiene la variaciónsuficiente para ser captada por el conversor análogo/digital de 10 bit, además conestas pruebas realizadas y teniendo en cuenta que el dispositivo esta diseñadopara manejar cualquier tipo de vaso, se puede establecer una tabla de porcentajesde pesos para los vasos, que se va a tener en cuenta en la programación delmicrocontrolador para identificar el rango en el que se enviará la señal de alarma.
Tabla 10. Porcentaje de pesos de alarma. Rango de peso
vasos (g)Voltaje
equivalente (V)Porcentaje de
alarma (%)60 - 120 1.130 - 1.193 0121 - 350 1.195 - 1.437 25351 - 500 1.439 - 1.598 15
501 - 3000 1.600 - 3.549 10Fuente. Autores. Viernes 22 de mayo de 2009, 7:25a.m.
Debido a que los diferentes tipos de bebidas, tienen varias formas de presentaciónpara su consumo, no utilizan el mismo vaso y la cantidad que se sirve puede sermayor o menor. De acuerdo a esto la proporción que se consume en cada bebida
84
dependerá del tamaño del vaso, es decir, si se toma un licor fuerte en copapequeña el porcentaje en el cual se envía la alarma será cerca a cero o cero, adiferencia de cuando se consume una bebida ligera, el vaso es mucho mas grandey el porcentaje en el cual se envía la señal de alarma será entre 10% y 25%.
En el caso de los vasos pequeños un porcentaje de envío de señal del 10% seriaun valor muy bajo y no tendría sentido transmitir la alarma en este nivel, entonceses necesario que el porcentaje sea mayor, esto para que el usuario no tenga queacabar totalmente su bebida para solicitar servicio y darle tiempo al mesero paraque pueda atienda en un lapso prudente.
Circuito de muestro y retención.
De acuerdo a la explicación teórica que se hizo de este tipo de circuitos, esnecesario para la conversión análoga/digital que la señal proveniente delamplificador instrumental permanezca estable durante el periodo de conversiónque necesite el CAD, de lo contrario habrá saltos que no permitirán la obtenciónde los datos correcta.
Para tal fin se implementó en el dispositivo un circuito de muestreo y retenciónintegrado de fácil consecución en el mercado, identificado como LF398. Lainstalación de este dispositivo se hizo de acuerdo a las recomendaciones delfabricante, como se ve en la figura.
Figura 45. Aplicación típica de LF398 según fabricante.
LF 398
0 . 0 0 1 u F( e x t e r n a l )
Fuente. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/philips/LF398_2.pdf. Viernes 22 de mayode 2009, 7:40a.m.
Para la entrada de la señal de muestra y retención que necesita el LF398 con lacual hace la comparación de la señal análoga y la mantiene, se necesita un pulsocuadrado de tipo astable, el cual se obtuvo mediante la salida típica del circuitointegrado 555, configurado de la siguiente manera.
85
Figura 46. CI 555 en configuración astable
Ra = 1kΩ
Rb = 1kΩ
C = 0.1uF
C = 0,01uF
Fuente. http://www. http://www.unicrom.com. Viernes 22 de mayo de 2009, 7:50a.m.
El circuito permite generar una onda cuadrada con t1 = t2, aplicando t = 0.693 RCsolamente, así con t1 = 0.693 R1C y t2 = 0.693 (R1+R2) donde t1 = t2. Lostiempos de carga y descarga del condensador son iguales permitiendo que laseñal de salida sea uniforme.
Figura 47. Oscilador astable con un temporizador 555 donde t1 = t2.
Fuente. http://www. http://www.unicrom.com. Viernes 22 de mayo de 2009, 8:02a.m.
La señal de salida de este circuito es la que cumple con los requerimientos delcircuito de muestreo y retención, el periodo: T = t1 + t2 y la frecuencia: f = 1 / T.
4.1.4 Módulo de control.
Para administrar el trabajo de los diferentes periféricos se selecciono unmicrocontrolador, dado que es un elemento programable brinda la flexibilidad parael desarrollo de la aplicación de control, además sus dimensiones favorecen paraobtener un tamaño ideal para la manipulación del dispositivo de comunicación.
Al presentar mejores características en campos indispensables se determinóutilizar el microcontrolador Motorola MC68HC908AP16, los criterios de selecciónse dan de acuerdo a la siguiente tabla.
86
Tabla 11. Criterios de selección del microcontrolador.Característica Razón selección
FrecuenciaMáxima
operación32 Mhz
Al emplear dispositivos que manejan graninformación para generar una visualización (1024datos), se debe emplear una velocidad alta paraeliminar el efecto de barrido de datos al momentode realizar la visualización del mensaje.
Código deInstrucciones CISC
(Complex instruction set computer), Al poseer 107instrucciones entre ellas operaciones aritméticaspermite un mayor manejo y posibilidades deprogramación, facilitando la implementación de unalógica estructurada en el desarrollo de cualquierproyecto.
Tamaño deMemoria
(Flash) (RAM)
16 Kbytes(Flash)
1024 Bytes(RAM)
Para las características que debe cumplir eldispositivo de comunicación la memoria es unrecurso fundamental, ya que no se puededeterminar el tamaño de la aplicación y permitetener una tolerancia de espacio para laprogramación y realización de futuras mejoras.
Herramientade
ProgramaciónMicrogrades
El desarrollo a través de esta herramienta permiteun diseño estructurado a partir de los recursos yperiféricos con los que cuenta el dispositivo decomunicación, a su vez permite de una maneramás rápida y eficiente la corrección de erroresdurante su funcionamiento.
Fuente. Autores. Viernes 22 de mayo de 2009, 8:40a.m.
El lenguaje de programación seleccionado es Microgrades por estar orientado aobjetos, permitiendo un desarrollo modular el cual genera una mejor estructuraciónde la aplicación para la detección, corrección de errores y mejoramiento deldispositivo haciendo menor el tiempo empleado para dicho fin.
De acuerdo con la filosofía de trabajo de Microgrades, su funcionamiento no es enel dominio del tiempo sino en dominio de la frecuencia, lo que permite que elmicrocontrolador recorra todas las tareas y las condiciones implícitas en las tareasevitando que ejecute las instrucciones de estas o salte a la siguiente tarea.
El concepto de multitarea es posible por su funcionamiento basado en lafrecuencia, ya que revisa las condiciones para cada tarea. Si estas tareas seencuentran relacionadas no se pondrán en funcionamiento a menos que la quecontrole el proceso lo autorice, si son totalmente independientes tendrán unarelación entre las ejecuciones dependiendo de la clase de tarea que sea o de loselementos que controle.
87
Un programa en el dominio de la frecuencia permite evitar que los ruidos afectenla ejecución, Si el programa no es capaz de ejecutar todas las tareas a unafrecuencia establecida, se recurre a dividir el programa en múltiples tareas deacuerdo con la función que cumple y los dispositivos que controla.
Las tareas normales y lentas; cada una de éstas se ejecutará ciertas cantidadveces desde la tarea rápida, asumiendo que la tarea normal tiene un periodo igualal periodo de la tarea rápida n veces.
Cada vez que se ejecuta una tarea rápida, se corre una de las tareas que seencuentran de la tarea normal, demostrando así que la tarea rápida siempre tieneuna mayor frecuencia que la tarea normal.7
El diseño de proyectos en microgrades se basa en los siguientes principios:
Programación estructurada. Los programas deben sostener una metodologíamodular; es decir, que cada parte del programa esta representada y desarrolladaen varios bloques; otra característica de este tipo de programación es la noexistencia de saltos a bloques anteriores, el único salto que existe es una vez sehalla recorrido todo el programa, por lo tanto ningún bloque quedara “enganchado”dentro de un ciclo sino que cada bloque dejará fluir libremente el programa.
Figura 48. Diseños capa de puertos
Fuente. Autores. Lunes 22 de Junio de 2009, 1:12p.m.
7 Disponible en www.tecvolucion.com. Mayo 22 de 2009, 10:05 a.m.
88
Programación por capas.
Figura 49. Secuencia desarrollo de programación.
Fuente. http://www.tecvolucion.com. Viernes 22 de mayo de 2009, 10:25a.m.
El diagrama presenta la manera de plantear el diseño de cualquier aplicación, sedebe desarrollar en forma ascendente.
Hardware. Selección de periféricos que caracterizan el dispositivo (LCD,teclado, comunicaciones, etc.).
Puertos. Selección de pines del microcontrolador en donde se conectan losperiféricos.
BIOS. Sistema Básico de entradas y salidas, conjunto de subrutinas que seencargan de llevar la información de la ROM a los puertos o viceversa.
Sistema operativo. El sistema operativo se encarga de hacerprocesamientos específicos de la información que llega desde la BIOS y laaplicación la cual es la capa más alta.
Aplicación. Programa. Que se desarrolla por el usuario y controla elproyecto a desarrollar.
Conversión análoga/digital.
El primer paso para la creación del programa de transmisión, en el portavasos esel manejo digital de los datos que entrega el conversor para tal manejo esnecesario tener en cuenta la respuesta en binarios respecto al voltaje de entrada.
89
Cuando el voltaje de entrada del ADC es igual al VREFH, el ADC convierte laseñal a 3FFH (máximo de la escala). Si el voltaje de entrada es igual a VREFL, elADC convierte a 000H y si la entrada esta entre VREFH y VREFL hacen unaconversión recta lineal. Todas las demás tensiones de entrada se transformaranen 3FFH. Si es mayor que VREFH y 000H si es inferior a VREFL.
El conversor análogo/digital ha sido programado para que tenga una capacidad deconversión de 8 bits, detectando una variación minima de 19.5mV. Este tipo demicrocontrolador tiene la capacidad de hacer la conversión a 10 bits, pero sediseño de esta manera, debido a que la variación que tomaba con esta cantidadde bits presentaba mayor inestabilidad y los datos de los pesos no eran fijos, locual hace imposible la programación de los estándares de dichos pesos. Parallegar a esta conclusión fue basado en pruebas realizadas.
Con la resolución de 8 bits el comportamiento se da mas estable y la adquisiciónde datos es factible.
Desarrollo del programa de control y transmisión.
El lenguaje de programación de Microgrades, tiene la versatilidad que no seencuentra en otros tipos de lenguaje de programación, por multitareas, las cualespara el caso de este proyecto se dispusieron en dos tipos, tarea rápida y normalsegún las entradas, procesos y salidas que se usaron.
Figura 50. Esquema de tareas para el programa de Tx.
Tareas
Rápida
Celda
ConversorA/D
ComunicaciónSerialRS232
Normal
EntradaDigital
Pulsador
Salida digital
LED testigo
Fuente. Autores. Viernes 22 de mayo de 2009, 11:00a.m.
90
Teniendo en cuenta las especificaciones de los elementos a utilizar y la funciónque cumple dentro del dispositivo de transmisión, se determina en cual tarea seubicará el manejo de éste dispositivo y la velocidad a la cual debe estar para unóptimo desempeño.
Para determinar el valor de las frecuencias de las tareas se debe tener en cuentael número de aplicaciones, entre las que se encuentran varias clases, lasaplicaciones del sistema operativo que son: aplicación de temporizado (T),aplicación de entradas (E) y la aplicación de salidas (Q).
Para determinar la frecuencia que debe emplear la tarea rápida se necesitaobservar el funcionamiento de la celda de carga variando la frecuencia paraencontrar en cual se tiene la mejor respuesta.
Se realizaron pruebas en las cuales se obtuvo que la frecuencia a la cual presentael mejor comportamiento sea a 4000 Hz, presentando un efecto de barrido apenasperceptible.
Ya seleccionada la frecuencia de la tarea rápida de 4000 Hz, se determinan lasfrecuencias que deben tener las demás tareas a emplear, de acuerdo a losdispositivos que manejen, para ello debemos emplear una regla implícita para eldiseño de aplicaciones multitarea basadas en el lenguaje Microgrades.
La frecuencia de la tarea normal se obtiene a partir de la tarea rápida y la cantidadde tareas a ejecutar en esta frecuencia, además si tenemos tarea lenta se debesumar uno al número de tareas, ya que la tarea lenta es la última de las tareasnormales.
La frecuencia de la tarea rápida es conocida, a partir de esta se obtienen lasfrecuencias de las demás tareas a emplear en el desarrollo del dispositivo decomunicación, por medio de la siguiente ecuación:
(4.17)
La frecuencia de tarea rápida es de 1800Hz, en la tarea normal tenemos dosaplicaciones de entrada y salida, por esta razón tenemos que la cantidad de tareaspor las cuales se debe dividir la frecuencia de la tarea rápida es de 2.
HzHz
NTMF 9002
1800....
(4.18)
91
Donde F.M.T.N. es el valor de la frecuencia máxima en tarea normal, 1800Hz es lafrecuencia de la tarea rápida, 2 es el número de tareas normales, por lo tanto lafrecuencia de trabajo de las tares normales será de 900Hz.
La condición para determinar la frecuencia de tarea en la cual se controla lacomunicación serial es:
(4.19)
El factor de 10 en la ecuación anterior se utiliza como la comunicación se realiza através de un buffer, que es un arreglo de memoria en el cual se ubican los datospara la transmisión, este proceso requiere más tiempo en la manipulación de losdatos, tanto para el almacenado como para la lectura.
Hzbaudios
TF 96010
9600..
(4.20)
La frecuencia minima para la comunicación es mayor a la frecuencia de la tareanormal (900Hz), por lo tanto es ubicada como una tarea rápida.
En la tarea normal se encontrarán el control de ejecución de las acciones quedeterminan el funcionamiento del dispositivo de comunicación y que soncontroladas por el usuario, en esta tarea se activan las ordenes para la función deldispositivo a través de una máquina de estados que realiza el proceso de controlde la información que emite el sensor y su respectivo análisis para lograr larespectiva automatización del proceso.
El desarrollo del programa de control del dispositivo es conveniente explicarlo deuna manera mas clara por medio de un diagrama de maquina de estados, que sepresenta de manera detallada en la siguiente figura.
92
Figura 51. Máquina de estados del programa Tx.
Fuente. Autores. Viernes 22 de mayo de 2009, 11:15a.m.
Reposo. El estado de reposo, es en el cual inicia el dispositivo cuando seenciende este, en dicho estado realiza la estabilización y verificación de lasentradas de voltaje al microcontrolador.
Lectura vacío. Si en el estado de reposo es pulsado el botón de entrada deprogramación, el programa pasa al estado de lectura vacío. En este estado elmicrocontrolador verifica en la entrada análogo/digital que valor tiene,proveniente del sensor de peso, es necesario ubicar el vaso que se va a utilizaren la superficie del portavasos sin ningún contenido, para identificar su pesoinicial. En esta etapa es necesario oprimir de nuevo el pulsador para guardar eldato de cuanto pesa el vaso cuando esta vacío.
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Figura 52. Emulación de prueba con vaso vacío.
Fuente. Autores. Sábado 23 de mayo de 2009, 12:15 a.m.
En la figura se puede observar el valor del peso del vaso vacío (86), guardadotras pulsar el botón de programación, en la pantalla de visualización deemulación de Microgrades.
Lectura lleno. Inmediatamente fue pulsado el botón para guardar el dato devaso vacío el programa va al estado de lectura lleno. Nuevamente efectúa larevisión del dato que esta recibiendo en el puerto de conversión A/D, en estecaso es necesario ubicar en la superficie del portavasos el mismo vaso queutilizó para la lectura de vacío pero esta vez con todo el contenido de liquidoque se va a servir para el cliente. De nuevo se oprime el pulsador, para que eldato de cuanto pesa el vaso lleno quede guardado en la memoria delmicrocontrolador, con estos dos datos hace el cálculo de la diferencia queexiste entre los mismos y de inmediato pasa al estado de cálculo de la alarma.
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Figura 53. Emulación de prueba con vaso lleno.
Fuente. Autores. Sábado 23 de mayo de 2009, 12:15 a.m.
En este caso se puede observar el valor de peso del vaso lleno (135) y el valorde la diferencia entre lleno y vacío (49), tras pulsar el botón para guardar dichodato en la emulación realizada en Microgrades.
Cálculo de alarma. En este estado el programa toma el dato guardado de ladiferencia de peso entre el vaso vacío y de cuanto pesa el vaso lleno,simultáneamente el programa compara, en una tabla previamente definida porpruebas realizadas, el valor del vaso vacío con el porcentaje en el cual debeenviar la señal (Figura tasa=35) y trae este dato para multiplicarlo por el valorde la diferencia, este resultado es dividido por 100 para encontrar el porcentajeen el cual se debe activar la alarma de envío de la señal, enseguida va alestado de Nivel.
Figura 54. Emulación de prueba para cálculo de alarma.
Fuente. Autores. Sábado 23 de mayo de 2009, 12:25 a.m.
En la figura se puede ver la emulación hecha en Microgrades del cálculo de laalarma, realizando las operaciones para conseguir el porcentaje, de cantidad delíquido en el vaso, en el cual se debe activar la alarma para ser transmitida a labarra y se lleve a cabo la atención de quien sirve.
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Tabla. Estado en el cual, según el peso del vaso desocupado, el programaverifica que rango debe tener la tasa de porcentaje para el cálculo de laalarma, las razones de esta tabla se pueden verificar en las pruebas realizadasen la curva de funcionamiento del sensor.
Figura 55. Tabla de porcentaje de pesos de alarma en Microgrades.
Fuente. Autores. Sábado 23 de mayo de 2009, 12:30 a.m.
Nivel. Estado de verificación en el cual se identifica el peso que esta el vaso, yse compara con el rango que se calculó para activar la alarma, en el momentoen que el valor del peso del vaso se encuentre por encima de vacío e igual omenor al rango de alarma pasará inmediatamente a transmisión.
Figura 56. Emulación de verificación de nivel del vaso.
Fuente. Autores. Sábado 23 de mayo de 2009, 12:34 a.m.
Emulación hecha en Microgrades del estado de verificación del nivel delvaso para comparar con la alarma y hacer la transmisión.
Transmisión. En el instante en que se acciona la alarma el programa hace elproceso de transmisión enviando por el puerto de salida Tx, el número delportavasos, hacia el modulo de comunicación inalámbrica.
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Desarrollo del programa de recepción.
En el modulo de recepción también fue utilizado el microcontroladorMC68HC908AP16 y para su programación el lenguaje Microgrades, de la mismamanera que en la transmisión se hizo la distribución por tareas y con esta lamaquina de estados que representa el programa.
Figura 57. Esquema de tareas para el programa de Rx.
Tareas
Rápida
SalidaDigital
PantallaLCD
ComunicaciónSerialRS232
Normal
EntradaDigital
Pulsador
SalidaDigital
LEDtestigo
Buzzer
(alarmasonora)
Fuente. Autores. Sábado 23 de mayo de 2009, 1:10 a.m.
Para este caso se distribuyen las frecuencias de las tareas dentro del programa derecepción de la misma manera que para el programa de transmisión con ladiferencia que hay tres tareas normales.
La frecuencia de mas velocidad con que se realizará el barrido de verificación esla comunicación serial, ya que debe estar revisando la entrada proveniente delmodulo de comunicación receptor, para constatar el estado de los portavasos.
Se ha implementado como método de alarma más eficaz, con el fin de que lapercepción de quien atiende sea categórica, la instalación de varios medios deidentificación de alarma, LED de chorro de luz, Buzzer (alarma sonora) y elmensaje en la pantalla de cristal liquido LCD, informando que portavasos necesitaservicio.
Todos estos circuitos de interfaz con el usuario, se ubican a las salidas delmicrocontrolador y el programa para dar funcionamiento a estos se explica acontinuación con la maquina de estados.
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Figura 58. Máquina de estados para Rx.
Reposo
LCD
Buzzer
LED
Pulsador
Fuente. Autores. Sábado 23 de mayo de 2009, 2:24 a.m.
Reposo. Estado en el cual inicia el modulo de recepción y permanece en estehasta que se presente la recepción de la señal en el pin Rx delmicrocontrolador.
Figura 59. Estado de reposo en Rx.
Fuente. Autores. Sábado 23 de mayo de 2009, 2:30 a.m.
Buzzer / LED. Periféricos de interfaz con el usuario que se activan en elmomento en que la señal de alarma llega al microcontrolador y se desactivanhasta que el usuario pulse el botón notificando que ya se dio por enterado de laalarma, enseguida vuelve a reposo.
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LCD. En el estado de muestra de alarma, la pantalla de cristal liquido a sidoprogramada para mostrar el mensaje de advertencia de que portavasosnecesita servicio, esto según la señal que llegue informando que código tieneel portavasos alarmado.
Figura 60. Estado de Muestra en Rx.
Fuente. Autores. Lunes 25 de mayo de 2009, 11:20 a.m.
En caso de que la información ya haya sido verificada y se haya atendido, alpulsar el botón, se regresa al estado de reposo y se puede volver a llenar el vasoo reprogramar el portavasos según la necesidad. El diagrama de flujo de laprogramación de Tx y Rx se encuentra en los anexos (G) y (H).
4.1.5 Configuración del Módulo Xbee.
Circuito básico para el Xbee.
La figura muestra las conexiones mínimas que necesita el módulo Xbee parapoder ser utilizado. Luego de esto, se debe configurar según el modo de operaciónadecuado para la aplicación requerida.
Figura 61. Conexiones mínimas requeridas para el Xbee.
Fuente. www.olimex.cl. Sábado 23 de mayo de 2009, 8:36a.m.
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El módulo requiere una alimentación desde 2.8V a 3.4V, la conexión a tierra y laslíneas de transmisión de datos por medio del UART (TXD y RXD) paracomunicarse con un microcontrolador.
Esta configuración, no permite el uso de Control de Flujo (RTS & CTS), por lo queésta opción debe estar desactivada en el módulo Xbee. En caso de que se envíeuna gran cantidad de información, el buffer del módulo se puede sobrepasar. Paraevitar esto existen dos alternativas:
bajar la tasa de transmisión.
activar el control de flujo.
Tabla 12. Características técnicas del módulo XBee.
Fuente. www.olimex.cl. Viernes 22 de mayo de 2009, 8:38a.m
Modos de operación.
Los módulos Xbee, pueden operar en los siguientes 5 modos:
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Figura 62. Modos de operación del modulo Xbee.
Fuente. www.olimex.cl. Sábado 23 de mayo de 2009, 8:43a.m.
Modo recibir/transmitir: se encuentra en estos modos cuando el módulo recibealgún paquete RF a través de la antena(modo Receive) o cuando se envíainformación serial al buffer del pin 3 (UART Data in) que luego será transmitida(modo Transmit).
La información transmitida puede ser directa o indirecta. En el modo directo lainformación se envía inmediatamente a la dirección de destino. En el modoindirecto la información es retenida por el módulo durante un período de tiempo yes enviada sólo cuando la dirección de destino la solicita.
Además es posible enviar información por dos formas diferentes. Unicast yBroadcast. Por la primera, la comunicación es desde un punto a otro, y es el únicomodo que permite respuesta de quien recibe el paquete RF, es decir, quien recibedebe enviar un ACK (paquete llamado así, y que indica que recibió el paquete, elusuario no puede verlo, es interno de los módulos) a la dirección de origen. Quienenvió el paquete, espera recibir un ACK, en caso de que no le llegue, reenviará elpaquete hasta 3 veces o hasta que reciba el ACK. Después de los 3 intentos seincrementa el registro de fallas ACK en uno.
Modo de bajo consumo (Sleep Mode): el modo de bajo consumo o modo Sleep,corresponde cuando el módulo entra en un estado de bajo consumo de energía.Esto depende de la configuración en la que se encuentra. Se debe indicar que elahorro de energía depende enormemente del voltaje de alimentación.
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Tabla 13. Tabla Modo Sleep y consumos de corriente del módulo XBee.
Fuente. www.olimex.cl. Viernes 22 de mayo de 2009, 8:55a.m
Modo de comando: este modo permite ingresar comandos AT al módulo Xbee,para configurar, ajustar o modificar parámetros. Permite ajustar parámetros comola dirección propia o la de destino, así como su modo de operación entre otrascosas. Para poder ingresar los comandos AT es necesario utilizar el Hyperterminalde Windows, el programa X-CTU o algún microcontrolador que maneje UART ytenga los comandos guardados en memoria o los adquiera de alguna otra forma.Para esta aplicación el módulo Xbee se configuró por medio del Hyperterminal deWindows.
Para ingresar a este modo se debe esperar un tiempo dado por el comando GT(Guard Time, por defecto ATGT=0x3E85 que equivalen a 1000ms) luegoingresar +++ y luego esperar otro tiempo GT. Como respuesta el módulo entregaráun OK. El módulo Xbee viene por defecto con una velocidad de 9600bps.
Figura 63. Comandos AT.
Fuente. www.olimex.cl. Sábado 23 de mayo de 2009, 8:48a.m.
En la figura anterior se muestra la sintaxis de un comando AT. Luego de ingresar aeste modo, se debe ingresar el comando deseado para ajustar los parámetros delmódulo Xbee.
Direccionamiento de los módulos.
Los módulos permiten 2 tipos de direccionamiento. La de 16 bit y la de 64 bits. Laprincipal diferencia es que en la de 64 bit, es posible obtener una mayor cantidadde direcciones y por lo tanto, una mayor cantidad de nodos o equipos funcionandoen la misma red. Son a través de estas direcciones que los módulos se comunicanentre sí.
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La dirección de origen escogida, que es de 16 bits en el módulo, se definearbitrariamente con el comando MY (ATMY – 16 bit Source Address). La dedestino con los comandos DL (ATDL – Destination Address Low) y DH(Destination Address High).
Direccionamiento de 16 bit: el comando MY, define un número de 16 bit comodirección del módulo dentro de la red. El rango se encuentra entre 0x0 y 0xFFFE(la dirección 0xFFFF y 0xFFFE son para habilitar la dirección de 64-bit, por lo quesi se desea utilizar direccionamiento de 16 bits, estos valores no son usados).Para definirla se ingresa ATMY y el número en formato hexadecimal, pero sin el‘0x’. Por ejemplo si a un módulo se le quiere asignar la dirección 0x3BF1 (15345en decimal), entonces se debe ingresar el comando ATMY3BF1.
El comando DL, permite definir un número de 16 bit como dirección del módulo dedestino dentro de la red al cual se va a realizar la comunicación. El rango debeestar entre 0x0 y 0xFFFE (las direcciones 0xFFFE y 0xFFFF se utilizan paradireccionamiento de 64 bits).
Así para habilitar el direccionamiento de 16 bit, se debe utilizar una direcciónmenor a 0xFFFE con el comando MY, de igual modo para DL y se debe dejar encero el comando DH=0 (ATDH0). No se permite usar la dirección 0xFFFE ni0xFFFE para el direccionamiento de 16 bits.
Modo de conexión transparente.
Este modo consiste básicamente en que todo lo que ingresa por el pin 3 (Data in),es guardado en el buffer de entrada y luego transmitido, consecutivamente todo loque ingresa como paquete RF, es guardado en el buffer de salida y luego enviadopor el pin 2 (Data out), al módulo deseado.
La información es recibida por el pin 3 del módulo Xbee, y guardada en el bufferde entrada. Dependiendo de cómo se configure el comando RO, se puedetransmitir la información apenas llegue un carácter (RO=0) o después de untiempo dado sin recibir ningún carácter serial por el pin 3. En ese momento, setoma lo que se tenga en el buffer de entrada, se empaqueta, es decir, se integra aun paquete RF, y se transmite. Otra condición que puede cumplirse para latransmisión es cuando el buffer de entrada se llena, esto es, más de 100 bytes deinformación.
La conexión transparente está destinada principalmente a la comunicación punto apunto, donde no es necesario ningún tipo de control. Usándose para reemplazaralguna conexión serial por cable, ya que es la configuración más sencilla posible yno requiere una mayor configuración.
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Figura 64. Correspondencia de Buffer.
Fuente. www.olimex.cl. Sábado 23 de mayo de 2009, 9:00a.m.
Punto a punto.
Es la conexión ideal para reemplazar la comunicación serial por un cable y es laseleccionada para la implementación del proyecto. Sólo se debe configurar ladirección. Para ello se utilizan los comandos MY y el DL. La idea, es definirarbitrariamente una dirección para un módulo, usando el comando MY, el cual seva a comunicar con otro que tiene la dirección DL, también definidaarbitrariamente. Con esto cada módulo define su dirección con MY, y escribe ladirección del módulo al cual se desea conectar usando DL.
En esta configuración, el módulo receptor del mensaje envía un paquete al módulode origen llamado ACK (viene de Acknowledgment) que indica que el mensaje serecibió correctamente.
En la siguiente figura se muestra como fueron elegidas las direcciones:
Figura 65. Configuración módulo 1.
Fuente. Autores. Sábado 23 de mayo de 2009, 9:03a.m.
104
Se observa que en el módulo 1, se ajustó la dirección de origen como 0x3BA2(ATMY3BA2), mientras que la dirección de destino se asignó como 0xCC11(ATDLCC11) que corresponde al módulo 2. En el otro módulo se observa losiguiente:
Figura 66. Configuración módulo 2.
Fuente. Autores. Sábado 23 de mayo de 2009, 9:09a.m.
En este módulo se asignó como dirección de origen 0xCC11 (ATMYCC11) y comodirección de destino 0x3BA2 (ATDL3BA2) que corresponde al módulo 1. Lasiguiente figura muestra un ejemplo gráfico de lo anterior.
Figura 67. Direccionamiento 16 bits.
Fuente. Autores. Sábado 23 de mayo de 2009, 9:18a.m.
En la figura anterior se muestra la conexión punto a punto utilizandodireccionamiento de 16 bits. Una vez configurado, el módem se encuentra listopara funcionar. Así todo lo que se transmite por el pin DIN de un módulo, esrecibido por el pin DOUT del otro. Para que el modo Punto a Punto funcione, losmódulos deben pertenecer a la misma PAN ID y al mismo canal. A continuación seexplica cómo configurar la PAN ID y el Canal.
El primer comando es el ID de la PAN (Personal Area Network- Red de ÁreaPersonal). Todos los módulos que tengan idéntico PAN ID, pertenecerán a lamisma red. El comando para configurar este valor es ID, es decir, ATID, y su
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rango va entre 0x0 y 0xFFFF. Al ajustar la PAN ID como 0x3332, se debe ingresarATID3332. Este parámetro también es arbitrario, al igual que MY y DL.
El otro comando corresponde al canal por el cual se va a comunicar. Según laFigura 23, se disponen de 16 canales según el protocolo IEEE 802.15.4. Esteestándar indica que entre cada canal, deben existir 5 MHz de diferencia, partiendode la frecuencia base 2.405 GHz, se llegan hasta los 2.480 GHz.
Se conoce que hay 16 canales disponibles, sin embargo, los valores se asignandesde el 11 hasta el 26 La siguiente tabla muestra la frecuencia central de cadacanal, así como su límite inferior y superior.
Tabla 14. Frecuencia de canales y su respectivo Comando AT.
Fuente. www.olimex.cl. Viernes 22 de mayo de 2009, 9:55a.m
La elección del canal debe ser cuidadosa, ya que otras tecnologías como WI-FI oBluetooth utilizan el mismo espectro de frecuencias, por lo que se podría producirinterferencia. Para que cada módulo reciba la información, debe ser estrictamentenecesario que tengan tanto el mismo canal, como el mismo PAN ID. Incluso si setrabaja en configuración punto a punto los módulos deben coincidir en ello. Losmódulos vienen por defecto configurados con el canal 0x0C y el PAN ID 0x3332por defecto.
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Esta configuración, permite enviar información más controlada, ya que esnecesario pertenecer tanto al mismo canal, como a la misma red. Además paraenviar información se debe ingresar la dirección del módulo de transmisión, por loque es necesario el conocimiento completo de la red.
4.1.6 Módulo de alimentación.
Para la alimentación de los componentes del dispositivo, se utilizó un regulador devoltaje, cuya referencia es LM78L05 y otro de referencia L78L33 para laalimentación del módulo XBee; dichos reguladores proporcionan una corrientetípica por módulo de 100 mA. Se utilizó dicho regulador suministrar la corrienteque consume el microcontrolador, el MAX 323, el CI 555 y para los demáscomponentes restantes con alimentación con 5V.
Para el suministro de los dos reguladores se utilizan baterías pequeñas de 12V,de bajo costo y fácil consecución en el mercado, las cuales energizan a cadaregulador para que puedan cumplir con el consumo de corriente requerido.Simultáneamente con las baterías se alimenta la celda de carga con 12V.
Figura 68. Fuente de Voltaje Negativo con MAX232.
Fuente. www.alldatasheet. Sábado 23 de mayo de 2009, 11:18a.m.
Tabla 15. Corriente típica consumida por los componentes Tx.Componente Corriente de consumo (mA)
Celda de carga 20Microcontroldor 100Módulo XBee 50
AD 620 1.3LF 398 6.5
Max 232 8CI. 555 5
Total corriente consumida 190.8Fuente. www.alldatasheet.com. Viernes 22 de mayo de 2009, 10:15a.m
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Tabla 16. Voltaje típico consumido por los componentes Tx.Componente Voltaje de consumo (V)
Celda de carga 12Microcontroldor 5Módulo XBee 3.3
AD 620 18/-18LF 398 18/-18
Max 232 5CI. 555 5
Fuente. www.alldatasheet.com. Viernes 22 de mayo de 2009, 10:17a.m
La distribución de elementos electrónicos se puede ver en el diagramaesquemático del dispositivo. (Ver Anexo D)
Tanto el amplificador de instrumentación, como el LF 398 utilizan una fuente devoltaje positiva y negativa. En especial el voltaje negativo requiere salir de lafuente positiva, esto sería posible utilizando circuitos integrados específicos parala alimentación de operacionales, sin embargo son muy costosos y difíciles deconseguir, así que se optó por una alternativa más sencilla, que fue utilizar elMAX232 para obtener los voltajes necesarios.
El MAX232 utiliza internamente una serie de capacitores e inversores para lograruna fuente de voltaje negativo útil en la comunicación serial con el computador, aeste voltaje se puede acceder mediante el pin 6, su valor nominal es de -9V en lapractica y el circuito integrado es capaz de proveer una corriente de hasta 10 mA,suficiente para la alimentación de los amplificadores.
En la alimentación del módulo de recepción, hay un regulador de voltaje fijo, elLM 7805, con un capacitor a la salida para corregir el rizado. Este regulador esenergizado por un adaptador variable de pared de 12 voltios DC, además de unacorriente de 500 mA.
Tabla 17. Corriente típica consumida por los componentes Rx.Componente Corriente de consumo (mA)Módulo XBee 50Pantalla LCD 150Led indicador 20
Buzzer 8Total corriente consumida 228
Fuente. www.alldatasheet.com. Viernes 22 de mayo de 2009, 11:05a.m
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Tabla 18. Voltaje típico consumido por los componentes Rx.Componente Voltaje de consumo (V)Módulo XBee 3.3Pantalla LCD 5Led indicador 2.2
Buzzer 6Fuente. www.alldatasheet.com. Viernes 22 de mayo de 2009, 11:10a.m
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5. PRESENTACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS
Para el diseño y creación del portavasos sensor de peso, es necesario estar altanto de porque se genera el problema de la falta de comunicación entre el puntode atención y el sitio atendido. Para lograr captar esta información fue necesario,por medio de las encuestas, además de la vivencia propia, identificar dichascausas y buscar las posibles soluciones por medio de la electrónica.
Fue posible observar que en los establecimientos de consumo de bebidas, lasrazones más destacadas por las cuales es complicada la atención de quien esta acargo del servicio son: la distancia entre la barra y la mesa, la cantidad de clientespara la cantidad de meseros o el volumen de música o ruido en elestablecimiento. Esta situación también genera disminución en el consumo,llevando consecutivamente a disminución de los ingresos del establecimiento algodesfavorable para el sector comercial.
Para resolver este problema se plantearon varias posibles soluciones, comosensores de nivel, timbres debajo de la mesa, mesas con capacidad de envío deseñal a la barra, vasos transmisores. Pero para que se diera una soluciónelectrónica funcional era necesario que la solicitud de servicio fuera automática,con lo cual se rechazó los timbres debajo de la mesa, también era necesario queel cliente no tuviera que manipular el dispositivo, por lo tanto se obvió el vasotransmisor y los sensores de nivel y como beneficio de uso se quería también quefuera inalámbrico y portable esto descarto las mesas transmisoras. La solución demejor aceptación fue el portavasos sensor de peso.
El dispositivo funciona de acuerdo al diseño, tiene loa posibilidad de utilizarcualquier tipo de vaso no mayor a 5kg, lo cual es una gran capacidad con unrango de resolución de 20g lo cual lo hace muy sensible.
Además, esta investigación dio la posibilidad de utilizar un tipo de comunicacióninalámbrica de última tecnología y que casi no se conoce en el mercado, pero quepor sus excelentes características tendrá gran acogida y variadas aplicaciones.
Para un resultado más objetivo se hicieron pruebas a vasos reales de consumo decerveza y whisky y se midió su comportamiento y peso en la celda de carga y deque manera se desempeñaban en el portavasos, la tabla de respuesta se puedever a continuación.
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Tabla 19. Pruebas y mediciones a diferentes vasos.
Ítem (Vacío) Peso (g) Voltajeamplificado (V)
% de envíode señal
Copa de aguardiente (en vidrio) 61 0.7 0%Botella de cerveza de 330 cm³ 238 1.3 25%Vaso común de Whiskey 282 1.4 25%Vaso de cerveza largo 487 1.5 15%Jarro de sifón mediano 575 1.6 10%Jarro de sifón grande 701 1.8 10%Jarra cervecera grande 2357 3.9 10%Fuente. Autores. Sábado 23 de mayo de 2009, 1:10p.m
En esta tabla se puede apreciar el porcentaje en el cual se hace el envío de laseñal para cada tipo de vaso, se puede observar que de acuerdo a lasdimensiones del vaso es mayor o menor el rango de alarma. En el caso de la copade aguardiente se tomo como porcentaje de señal “0%”, puesto que el consumoen copas pequeñas, para cierto tipo de bebidas fuertes, generalmente se hace detodo o nada, es decir se consume en su totalidad el líquido en un solo trago.
También se consigue un excelente resultado de comportamiento el uso demicrogrades como herramienta de programación para el microcontrolador, ya quepermite la opción de realizar multitareas generando mejor desenvolvimiento delprograma y desempeño del portavasos en general. Este lenguaje también muestraun entorno grafico de fácil utilización haciendo una configuración del dispositivomás sencilla y rápida.
Según la encuesta realizada fue posible observar que el portavasos es unaherramienta tecnológica que tiene gran aceptación por su método innovador y suproyección a nivel comercial. Asimismo se pudo identificar el ámbito y tipo desector al cual va dirigido esta investigación, dando como deducción que debe ser,en caso tal de comerciarlo, promocionado en sectores de mercadeo y expendio debebidas que tengan atención personalizada a mesas y tengan un estatus medio yalto, puesto que la suma del precio de los componentes hace que el dispositivotenga un valor elevado, de difícil acogida en los sectores de bajo presupuesto deinversión.
Debido a que el portavasos se va a utilizar para líquidos, los cuales pueden averiarel dispositivo, su construcción debe hacerse en un material que no sea absorbentey resistente a los fluidos derramados sobre este, el material seleccionado quecumple con estos requisitos es el acrílico.
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6. CONCLUSIONES
Se investigó y se analizó las diferentes tecnologías de comunicacióninalámbrica y microntroladores, tomando la decisión de aplicar una nuevatecnología de comunicación, ZigBee, que tiene un gran alcance manejandouna frecuencia de 2.4GHz y obteniendo un funcionamiento óptimo, de lamisma manera se implementó el microcontrolador de Motorola68HC908AP16 por su resolución de 10 bits en el conversor y su tamaño,que se adaptaba a las características físicas del portavasos.
Se tomó la señal proveniente de la celda de carga, se estudió y analizó paradiseñar el acondicionamiento de señal y lograr que el conversoranálogo/digital lo pueda procesar.
Se diseño y se creó el software mediante el lenguaje de programación(Microgrades), para la medición del peso, proceso de control y envío deinformación al receptor.
Se desarrolló y construyó un producto final, que cumple con los parámetrosque se establecieron, funcionando correctamente y logrando la aplicaciónde diferentes conocimientos y tecnologías electrónicas.
En la construcción del equipo se tuvo en cuenta las necesidades delmercado, de manera que se adapte lo mejor posible a los requerimientos dela aplicación.
Este portavasos tiene la capacidad de programarse para cualquier tipo devaso, permitiendo su uso en cualquier tipo de establecimiento, con susrespectivas presentaciones y porciones.
El sensor de peso, en este caso la celda de carga es bastante buena yaque tiene una gran capacidad con excelente sensibilidad.
Varios de los componentes utilizados para la creación de este dispositivo,necesitan voltaje alto para su funcionamiento, lo cual hace que laalimentación por medio de baterías sea muy limitada.
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7. RECOMENDACIONES
Para la utilización correcta del dispositivo es necesario que quien loimplemente debe leer el manual de usuario en el anexo (F) y explicarle alcliente como debe manejarlo.
En el modulo de recepción es posible crear una interfaz con computador,para tener un mejor manejo y distribución de la información de cadaportavasos, logrando hasta verificar la cantidad de bebidas que se hantomado por mesa y sacando la cuenta de consumo.
Es recomendable no aplicar fuerzas sobre el portavasos mayores a lacapacidad de la celda de carga (5kg), ya que la galga extensiométricasufrirá una ruptura y no funcionará más el dispositivo.
Es posible implementar en el circuito del portavasos un método electrónicopara hacer recargable las baterías, evitando así el consumo de estas y lanecesidad de comprar baterías cada vez que se agoten.
Efectuar un arreglo en la programación del microcontrolador para quecuando el portavasos se encuentre en estado de reposo, mientras seconsume la bebida, haya bajo consumo de energía.
Los módulos Xbee son posibles de configurar para que sean repetidores deotros Xbee que se encuentren más alejados del sitio de recepción deinformación, permitiendo crear redes que pueden extenderse en sitios degran tamaño.
Implementar un modulo Xbee Pro para la recepción ya que tiene mayorcapacidad de recepción de datos y se puede configurar en modocoordinador siendo el centro de la red y acumulando la información detodos los portavasos identificando de cual Xbee proviene.
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http://www.wikipedia.org
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GLOSARIO
Glosario de términos en español.
CELDA DE CARGA: es un elemento encargado de sensar las fuerzas a medir ytransformarlas en una señal eléctrica, están compuestas de dos partes, una partees un sólido elástico que absorbe las cargas y se deforma proporcionalmente aesta como ser una pieza metálica o plástica y la otra parte consiste en unelemento sensible a la deformación, capaz de variar alguna de sus propiedadesfísicas y así obtener una variación de una señal eléctrica proporcional a estavariable, a este elemento se denomina comúnmente transductor.
CHIP: circuito integrado, montado sobre una placa de silicio, que realiza variasfunciones en ordenadores y dispositivos electrónicos.
CONVERSOR ANALÓGICO/DIGITAL: es un dispositivo electrónico capaz deconvertir un voltaje determinado en un valor binario, en otras palabras, este seencarga de transformar señales análogas a digitales.
CONVERSOR DIGITAL/ANALÓGICO: es un dispositivo para convertir datosdigitales en señales de corriente o de tensión analógica.
GALGA EXTENSIOMÉTRICA: es básicamente una resistencia eléctrica. Elparámetro variable y sujeto a medida es la resistencia de dicha galga.
MEMORIA EPROM: son las siglas de Erasable Programmable Read-Only Memory(ROM programable borrable de sólo lectura). Es un tipo de chip de memoria ROMno volátil.
MEMORIA PROM: es el acrónimo de Programmable Read-Only Memory (ROMprogramable). Es una memoria digital donde el valor de cada bit depende delestado de un fusible (o antifusible), que puede ser quemado una sola vez.
MEMORIA RAM: memoria de acceso aleatorio, (en inglés: Random AccessMemory cuyo acrónimo es RAM) es la memoria desde donde el procesador recibelas instrucciones y guarda los resultados. Es el área de trabajo para la mayor partedel software.
MEMORIA ROM: memoria de sólo lectura (normalmente conocida por suacrónimo, Read Only Memory) es una clase de medio de almacenamientoutilizado en las computadoras y otros dispositivos electrónicos.
116
PANTALLA LCD: una pantalla de cristal líquido o LCD (acrónimo del inglés LiquidCrystal Display) es una pantalla delgada y plana formada por un número depíxeles en color o monocromos colocados delante de una fuente de luz oreflectora.
RADIO FRECUENCIA: denominado espectro de radiofrecuencia o RF, se aplica ala porción menos energética del espectro electromagnético, situada entre unos 3kHz y unos 300 GHz. Las ondas electromagnéticas de esta región del espectro sepueden transmitir aplicando la corriente alterna originada en un generador a unaantena.
SISTEMA LRS: sistema de largo alcance ó Long Range System, con capacidad detransmisión, hasta 1 km de alcance (dependiendo condiciones), manejandofrecuencia UHF que le permite atravesar paredes.
Glosario de términos en inglés.
BYTE: byte es el equivalente a octeto, es decir a ocho bits, para fines correctos,un byte debe ser considerado como una secuencia de bits contiguos, cuyo tamañodepende del código de información o código de caracteres en que sea definido.
INTRANET: es una red de ordenadores privados que utiliza tecnología Internetpara compartir de forma segura cualquier información o programa del sistemaoperativo para evitar que cualquier usuario de Internet pueda ingresar.
ROUTER: enrutador (en inglés: router), ruteador o encaminador es un dispositivode hardware para interconexión de red de ordenadores que opera en la capa tres(nivel de red). Este dispositivo permite asegurar el enrutamiento de paquetes entreredes o determinar la ruta que debe tomar el paquete de datos.
SOFTWARE: se refiere al equipamiento lógico o soporte lógico de un computadordigital, y comprende el conjunto de los componentes lógicos necesarios parahacer posible la realización de una tarea específica.
STRAIN GAGE: galgas extensiométricos.
WATCHDOG: Cuando un programa pierde el control (por el motivo que sea)pueden ocurrir muchas cosas, desde que simplemente se cuelgue hasta queobtengamos un resultado catastrófico. Lo que quiere decir que esté es el sistemaencargado de detectar esta situación y ponerle remedio.
WIRELESS: la comunicación inalámbrica (inglés wireless, sin cables) es el tipo decomunicación en la que no se utiliza un medio de propagación físico alguno estoquiere decir que se utiliza la modulación de ondas electromagnéticas, las cuales
117
se propagan por el espacio sin un medio físico que comunique cada uno de losextremos de la transmisión.
Glosario de siglas.
CAD/ADC: conversor analógico/digital.
CDA/DAC: conversor digital/analógico.
CMOS: en inglés Complementary Metal Oxide Semiconductor, (Metal ÓxidoSemiconductor Complementario) es una de las familias lógicas empleadas en lafabricación de circuitos integrados (chips). Su principal característica consiste en lautilización conjunta de transistores de tipo pMOS y tipo nMOS.
CMRR: la razón de rechazo al modo común (o CMRR, de las siglas en inglésCommon Mode Rejection Ratio) es uno de los parámetros de un amplificadoroperacional.
CPU: La unidad central de procesamiento, (el acrónimo en inglés CentralProcessing Unit), o, simplemente, el procesador, es el componente en unacomputadora digital que interpreta las instrucciones y procesa los datoscontenidos en los programas de la computadora.
IEEE: corresponde a las siglas de The Institute of Electrical and ElectronicsEngineers, el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, una asociacióntécnico-profesional mundial dedicada a la estandarización; es la mayor asociacióninternacional sin fines de lucro formada por profesionales de las nuevastecnologías.
LAN: es una red de área local, (en inglés Local Area Network) es la interconexiónde varios ordenadores y periféricos. Su extensión esta limitada físicamente a unedificio o a un entorno de 200 metros.
MCU: microcontrolador, el cual es una pequeña computadora en un solo circuitointegrado que consta de una CPU relativamente simple.
PIC: el nombre actual no es un acrónimo. En realidad, el nombre completo esPICmicro, aunque generalmente se utiliza como Peripheral Interface Controller(Controlador de Interfaz Periférico).
PWM: modulación por ancho de pulsos, (MAP o PWM, siglas del inglés Pulse-Width Modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que semodifica el ciclo de trabajo de una señal periódica, ya sea para transmitir
118
información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidadde energía que se envía a una carga.
RFID: siglas de Radio Frequency IDentification, (en español identificación porradiofrecuencia) es un sistema de almacenamiento y recuperación de datosremoto que usa dispositivos denominados etiquetas, transpondedores o tagsRFID.
WI-FI: es la sigla para Wireless Fidelity, que literalmente significa Fidelidadinalámbrica. Es un conjunto de redes que no requieren de cables y que funcionanen base a ciertos protocolos previamente establecidos.
119
ANEXO A. Encuesta a clientes y tenderos.
Bogotá D.C. - Viernes 24 de Abril de 2009
ENCUESTA
Encuesta realizada a clientes y tenderos en la localidad de Usaquén enbares, tabernas y restaurantes de venta de licores y bebidas para consumoen mesas dentro del establecimiento.
1. ¿Usted considera que se pierde tiempo llamando al mesero(a) oesperando ser llamado (en el caso del mesero), para que le sirvan(servir) otra bebida o le den (dar) su cuenta?
Si No No importa
2. ¿Le gustaría que mediante un sistema electrónico se le avisara almesero que su bebida se acabó y necesita servicio?
Si No No importa
3. ¿Le parece que un sistema de este tipo es innecesario?
Si No No importa
4. ¿Considera que la atención al cliente en Colombia debemodernizarse, al nivel de países mas avanzados?
Si No No importa
5. ¿Implementaría en su establecimiento un dispositivo de estascaracterísticas, sabiendo que ayuda a aumentar sus ventas, aunquela inversión sea alta?
Si No No importa
Total de encuestados:
Clientes: 45
Tenderos: 10
120
ANEXO B. Análisis de resultados de la encuesta.
RESULTADOS
Según la encuesta se puede concluir que las personas que respondieron lasprimeras preguntas demuestran un gran interés por la innovación de un procesocomercial, como lo es la atención al cliente en un establecimiento de bebidas. Laidea de implementar el portavasos es de gran aceptación ya que tanto clientescomo tenderos piensan que la automatización de este proceso reduciría algunasinconformidades que se presentan en el momento que se requiere servicio.
En contra parte al realizar la última pregunta, específicamente a los tenderos deestablecimientos pequeños; estos demostraron poco interés en comprar y adquirirel dispositivo, debido a un bajo poder adquisitivo y al temor de realizar unainversión que no le represente beneficios a su negocio. Aun teniendo en cuentaque el portavasos es de costo aceptable y de gran atracción para los clientesencuestados.
121
ANEXO C. Código en Microgrades.
Configuración del núcleo.
Núcleo – estructura.Configuración de los recursos del microcontrolador, asignación de frecuencia a lastareas, declaración de rutinas y máquinas de estado.
Interfaz – Entradas y salidas digitales.
122
Interfaz – Serial SCI.Configuración del puerto serial, en modo 7, transmisión y recepción por buffer.
Código de programación.
Estado inicio.Espera para puesta en marcha de la programación del dispositivo.
123
En la tarea rápida esta la maquina de estado que controla el proceso principalinicio del proceso de programación de los vasos.
Tarea rápida.
Estado de reposo.Inicio de programación de vasos, verificación de entradas e inicio de preparaciónpara ubicación de vaso vacío.
124
Estado de vaso vacío.
En este estado identifica la entrada análoga/digital y espera la programación delpeso del vaso sin líquido, enciende LED indicador de vacío.
Estado vaso lleno.Verificar vaso con liquido, enciende LED de indicación de lleno.
125
Estado de nivel.Comprobación de porcentaje de peso para envío de alarma.
Tabla.Porcentaje de peso para, envío de alarma según tipos de vasos.
Temporización.Contabiliza un tiempo constante, de permanencia sobre el portavasos cuando estaen rango, para enviar la señal, evitando que cuando se levante el vaso para ingerirbebida se active la alarma.
126
Estado cálculo de alarma.Verifica diferencia y porcentaje para envío de señal inalámbrica.
Estado de verificación.Revisión de estado de la celda de carga, obtención del dato para comparar con latasa de alarma.
Estado de Tx.Activación de alarma y envío de transmisión.
127
Código de recepción Rx.Estado de reposo.Revisa constantemente la entrada de datos, esperando señal de alarma.
Estado de muestra.Llegada de señal de alarma y activación de muestra en interfaces.
128
ANEXO D. Diagrama circuital (Tx).
129
ACONDICIONAMIENTO SEÑAL
En esta etapa del circuito la señal obtenida de la celda de carga es filtrada y luegoamplificada por el circuito integrado AD620N, ya que esta es muy pequeña y nopuede ser leída por el conversor.
Después de ser amplificada la señal debe tener un periodo estable en el momentoen que el conversor va tomar los datos y se hace necesario emplear el LF398 quees un circuito integrado de retención y muestreo, el cual necesita una señal dereloj que se obtiene de un LM555, en configuración astable.
130
CONFIGURACIÓN DEL MICROCONTROLADOR
Luego de que la señal pasa por el acondicionamiento, va al conversoranálogo/digital, que en este caso es el puerto A1, el microcontrolador tambiéntiene otro tipo de entrada que se maneja por medio de un pulsador que se conectaal puerto D7, dicho pulsador mantiene un nivel bajo, pero al oprimirlo genera elcambio a un nivel alto en el puerto, para que pueda ser programado elmicrocontrolador y tome los datos de vacío y lleno, igualmente se toman dossalidas para visualizar con leds en los puertos B4 y B5. Adicionalmente se utilizael puerto TXD para el envío de los datos al módulo XBee que realiza lacomunicación inalámbrica, el cual es alimentado con 3.3V, utilizando también suspuertos TXD y RXD para la transmisión.
El microcontrolador para que opere en forma correcta, además de ser alimentadocon 5V, necesita de cristal de 4Mhz acompañado de una resistencia en paralelode 1MΩ y dos condensadores en serie de 15pf, que deben ir conectados a lospines OSC1 y OSC2, además es conveniente ponerle un filtro para el ruido en el
131
pin CGMXFC, el pin RST debe ir conectado a Vcc y el puerto A0 con unaresistencia en serie a Vcc también.
ALIMENTACIÓN
Este es el circuito de alimentación que energiza la celda de carga y el resto decomponentes del esquema, se utilizan dos reguladores de 5V, 3.3V y un MAX232para obtener los voltajes negativos para los amplificadores operacionales.
132
ANEXO E. Diagrama circuital (Rx).
133
En el módulo Rx los datos transmitidos son tomados por el XBee, que losrecepciona por el puerto RXD y los envía al microcontrolador por TXD; en el microla señal de alerta es recibida por el puerto RXD y después procesada para que sevisualice en una LCD de 2X16 el mensaje de alarma. Los puertos de salidahabilitados para la LCD son el A2, A3, A4, A5, A6 y A7 para envío de datos a lapantalla, la cual lleva un potenciómetro en el pin 3 para el manejo del contraste,adicionalmente se utilizan dos puertos de salida que son el B4 y B5, para un led yun buzzer conectado a un transistor, configurado en corte y saturación que permiteque se encienda el buzzer simultáneamente con el led al recibir la señal de alerta.Por otra parte tiene un puerto de entrada D7 el cual va conectado a un pulsador en
134
serie con una resistencia de 1kΩ a Vcc para que cuando se oprima y se envíe unnivel alto de voltaje el microcontrolador suspenda las alarmas activadas.
De la misma manera este otro microcontrolador tiene la misma configuración dealimentación con 5V, el cristal y el filtro respectivo como en el anterior, contandotambién con la conexión al módulo XBee.
ALIMENTACIÓN
Para la alimentación también se utilizaron dos reguladores de 5V y 3.3Vrespectivamente para los componentes que integran este módulo.
135
ANEXO F. Manual de usuario.
PORTAVASOS SENSOR DE PESO
PARA BEBIDAS
MANUAL DEL USUARIO
El portavasos es un dispositivo electrónico, cuya función es sensar el peso de un vaso
cualquiera que contenga una bebida de consumo masivo. Es un dispositivo
automatizado que advierte cuándo un vaso está a punto de vaciarse y envía una señal
inalámbrica al mesero en un módulo de recepción, en el cual se indica el número del
portavaso que necesita servicio. Está construido en acrílico, de manera que no
absorbe agua y contiene varios chips que detectan que el vaso está próximo a llegar a
su peso original.
136
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Módulo Portavasos (Tx):
Alimentación: Baterías 12Vdc.
Portavasos acrílico negro dimensiones: 14cm x 14cm y 3cm altura.
2 leds indicadores (rojo: dato vacío, verde: dato lleno y transmisión).
1 pulsador (programación).
1 switch de llave On - Off.
Almacena diferentes pesos de vasos (programable).
Maneja rangos de 10%, 15% y 25% según vaso, para el envío de la señal.
Módulo de Recepción (Rx):
Alimentación: 110 - 120Vac (adaptador)
Caja en acrílico azul dimensiones: 13cm x 13cm y 4.5cm de altura.
LCD azul 2X16 con Back Light (visualización mensaje de alerta).
1 led rojo indicador (alarma).
1 buzzer (alarma).
1 pulsador (mensaje recibido).
1 switch On - Off.
FUNCIONAMIENTO
Paso 1: Girar la llave de encendido.
Paso 2: Al encender el dispositivo, el portavasos queda listo para ser programado, en
este caso se debe pulsar una vez para que pueda almacenar el dato de vaso vacío, se
encenderá el led rojo.
Paso 3: Posteriormente se debe ubicar el vaso desocupado encima del portavasos,
después se pulsa de nuevo para que dicho dato quede guardado y al mismo tiempo el
dispositivo queda listo para retener el dato de vaso lleno, se encenderá el led verde.
Paso 4: En este punto se bebe colocar el vaso ocupado con la bebida que se va a
tomar y por último se pulsa otra vez para que se almacene el último dato, ambos leds
137
se apagaran. Hay que tener en cuenta que el portavasos esta en la capacidad de operar
con cualquier tipo de vaso y de bebida.
Luego de almacenar los dos datos, el dispositivo entra a calcular y verificar el nivel de
alarma, para que cuando se llegue a esté, de la orden de transmitir la señal de alerta,
la cual es recepcionada por un módulo Rx que tiene una pantalla LCD en la que se
puede visualizar el mensaje de alarma y el número del portavasos que necesita
servicio, adicionalmente al llegar la alerta se enciende un led de color rojo y un
buzzer.
Paso 5: Cuando el módulo Rx se encuentra en estado de alerta, solo cambiara su
condición en el momento que sea atendido el cliente y posteriormente se oprima el
pulsador que tiene en la superficie, esto indicará que el mensaje ha sido recibido por
la persona encargada y a continuación el módulo pasa a un estado de reposo
esperando una nueva señal, en el cual se visualizara el mensaje “portavasos”.
138
FUNCIÓN DE COMPONENTES PORTAVASOS Tx
Switch tipo llave: Este switch es el encargado de energizar y apagar el portavasos.
Pulsador: Se utiliza para la programación del portavasos, es decir para que se
almacene el dato de vaso vacío y vaso lleno de cualquier tipo.
Led rojo y verde: Al pulsar por primera vez, se enciende el led rojo que indica que el
portavasos esta listo para guardar el dato de vaso vacío, al oprimir nuevamente el
pulsador, se enciende el led verde que avisa que ya almaceno el dato de vaso vacío y
que esta listo para retener el dato de vaso lleno; por último se pulsa otra vez y se
apagan los dos leds, señalando que el portavasos ha quedado programado. En el
momento que el portavasos empieza a transmitir el led rojo empieza como
intermitente, indicando que esta enviando la señal de alarma.
Pulsador
Switch
Leds
139
FUNCIÓN DE COMPONENTES MÓDULO Rx
Conector adaptador (Jack): A este va conectado un adaptador de pared de 12Vdc con
corriente de 500mA, el cual energiza el módulo.
Switch: Es el que enciende y apaga el dispositivo.
Pantalla LCD: Es el módulo con el que se visualiza los mensajes de reposo,
“portavasos” y de alerta “portavasos # necesita servicio” cuando es recepcionada la
señal de alarma.
Led rojo y Buzzer: El led se prende simultáneamente con el buzzer e indica que se
necesita servicio.
Pulsador: Se utiliza para que el módulo pase de un estado de alarma a un estado de
reposo y asimismo para que el sistema identifique que el mensaje ha sido atendido y
recibido por la persona encargada.
SwitchJack
Pulsador
140
ANEXO G. Diagrama de flujo de programa Tx.
141
ANEXO H. Diagrama de flujo de programa Rx.
142
ANEXO I. Código fuente en asembler (Tx)
AREA DE_UBICACION_DE_LOS_BLOQUES_DE_APLICACION_EN_TABLAS;*** TABLAS DE_PLANTILLAS_DE_MENSAJESDISPARM_: DC.B $08,$09,$0C,$0E
DC.B $0B,$80,$81,$82DC.B $83,$84,$85,$86DC.B $87,$88,$89,$8ADC.B $8B,$8C,$8D,$8EDC.B $8F,$0A,$90,$91DC.B $92,$93,$94,$95DC.B $96,$97,$98,$99DC.B $9A,$9B,$9C,$9DDC.B $9E,$9F,$0D
PLANT00_: DC.B $20,$43,$65,$6CDC.B $64,$61,$20,$F0DC.B $E0,$D0,$80,$20DC.B $20,$20,$20,$20DC.B $20,$76,$76,$20DC.B $E1,$D1,$81,$20DC.B $20,$6C,$6C,$20DC.B $E2,$D2,$82,$20
;*** TABLAS DE_APLICACION_DE_8_Y_16_BITSTABLA09_: DC.B $23,$1E,$19,$00
;*** TABLAS DE_PARAMETROS_DE_CONVERSION_ADC"ADCCTRL_: DC.B $01,$01,$01,(ADCPARM_ + !0) / !256
DC.B (ADCPARM_ + !0) % !256ADCPARM_: DC.B $03,$FF,$00,$00
DC.B $00,$FF,$00,$00
;*** AREA DE_UBICACION_DE_LOS_BLOQUES_DE_APLICACION_EN_TAREAS;*** BLOQUES DE_CODIFICACION_DE_PROCEDIMIENTOS_POR_TAREAS ***TASKH0_:
JSR ANALOGAS_JMP RETNOR_
TASKH1_:JMP RETNOR_
TASKH2_:
BCLR 7,FLAG0_BCLR 6,FLAG0_JMP RETNOR_
;*** AREA DE_UBICACION_DE_LOS_BLOQUES_DE_APLICACION_EN_RUTINAS;*** RUTINA DE_TAREA_0_PARA INICIALIZACION_DE_LA_APLICACION
143
INIAPLICA_:LDHX #!19CLRA
LI00021_: STA DAT00_ - 1,XDBNZX LI00021_
LI00029_:MOV #((STD066_ - ROMET0_) / 2) | $40,ESTD0_
LI00039_:MOV #!1,DAT02_
LI00049_:LDHX #!1
LI00051_: LDA DAT02_ - 1,XSTA TXBUF_ - 1,XDBNZX LI00051_
LI00059_:RTS
;*** RUTINA DE_PRETAREA_RAPIDA_DE_LA_EJECUCION_PRETAREA_:
LDA #(ROMET0_ - ROMETB_) / 2LDX #ESTD0_JSR DIRESI_
LI00069_:LDHX #PLANT00_STHX IVS0H_
LI00079_:MOV #(DAT01_ - DATOS_) & $3F,PVIS0_
LI00089_:MOV #(DAT03_ - DATOS_) & $3F,PVIS1_
LI00099_:MOV #(DAT04_ - DATOS_) & $3F,PVIS2_
LI00109_:RTS
;*** SUBRUTINAS DE_LA_APLICACION_GRAFICA_RUT130_:
LDA DAT01_CMP DAT12_BSET 1,DAT00_BHI LI00659_BCLR 1,DAT00_
LI00659_:LDA DAT01_CMP DAT0C_
LI00669_:BCC LI0067E_BRCLR 1,DAT00_,LI0067E_BSET 2,DAT00_
LI00689_:BRA LI0069E_
LI0067E_:
144
BCLR 2,DAT00_LI00709_:LI0069E_:
RTS
;*** PROCEDIMIENTOS DE_LOS_ESTADOS_DEL_PROGRAMA_ROMEST_:ROMES0_:EST066_:
BRCLR 7,FLARD_,LI0011E_BSET 0,DAT00_
LI00129_:MOV #((STD067_ - ROMET0_) / 2) | $40,ESTD0_
LI00139_:BRA LI0014E_
LI0011E_:BRCLR 0,DAT00_,LI0015E_MOV #((STD069_ - ROMET0_) / 2) | $40,ESTD0_
LI00169_:LI0015E_:LI0014E_:
RTS
EST067_:BSET 5,SALEB_
LI00199_:BCLR 4,DAT00_
LI00209_:MOV DAT01_,DAT03_
LI00219_:LDA DAT03_DECASTA DAT12_
LI00229_:LDA DAT01_CMP #!81
LI00239_:BLS LI0024E_CLR DAT05_
LI00259_:BRA LI0026E_
LI0024E_:LDA DAT01_CMP #!73
LI00279_:BLS LI0028E_MOV #!1,DAT05_
LI00299_:BRA LI0030E_
145
LI0028E_:LDA DAT01_CMP #!60
LI00319_:BLS LI0032E_MOV #!2,DAT05_
LI00339_:BRA LI0034E_
LI0032E_:MOV #!3,DAT05_
LI00359_:LI0034E_:LI0030E_:LI0026E_:
BRCLR 7,FLARD_,LI00399_MOV #((STD068_ - ROMET0_) / 2) | $40,ESTD0_
LI00399_:RTS
EST068_:BSET 4,SALEB_
LI00409_:MOV DAT01_,DAT04_
LI00419_:LDA DAT04_SUB DAT03_STA DAT0B_
LI00429_:LDX DAT05_CLRHLDA TABLA09_,XSTA DAT06_
LI00439_:BRCLR 7,FLARD_,LI00449_MOV #((STD072_ - ROMET0_) / 2) | $40,ESTD0_
LI00449_:RTS
EST069_:BCLR 4,SALEB_
LI00459_:BCLR 5,SALEB_
LI00469_:JSR RUT130_
LI00479_:BRCLR 2,DAT00_,LI0048E_MOV #((STD070_ - ROMET0_) / 2) | $40,ESTD0_
LI00499_:LI0048E_:
RTS
146
EST070_:BRCLR 7,ESTD0_,LI00511_CLR CNTTM0_
LI00511_: LDA #!10BSET 0,FLAG0_CBEQ CNTTM0_,LI00519_BCLR 0,FLAG0_BRCLR 3,CLOCK_,LI00519_INC CNTTM0_
LI00519_:BRCLR 0,FLAG0_,LI00529_MOV #((STD071_ - ROMET0_) / 2) | $40,ESTD0_
LI00529_:JSR RUT130_
LI00539_:BRSET 2,DAT00_,LI0054E_MOV #((STD066_ - ROMET0_) / 2) | $40,ESTD0_
LI00559_:LI0054E_:
RTS
EST071_:BSET 5,SALEB_
LI00579_:BCLR 2,DAT00_
LI00589_:MOV #!1,TXCNT_
LI00599_:MOV #((STD066_ - ROMET0_) / 2) | $40,ESTD0_
LI00609_:RTS
EST072_:LDA DAT0B_LDX DAT06_MULSTX DAT07_STA DAT07_ + 1
LI00619_:LDHX DAT07_TXALDX #!100DIVSTA DAT09_ + 1PSHHPULASTA DAT09_
LI00629_:LDA DAT03_ADD DAT0A_STA DAT0C_
147
LI00639_:MOV #((STD066_ - ROMET0_) / 2) | $40,ESTD0_
LI00649_:RTS
MAIN9_:ORG $4741DC.B $9D
ORG (MAIN9_ + $1FF) & $FE00;*** BLOQUES DE_ALMACENAMIENTO_EN_MEMORIA_NO_VOLATIL_USERROM_:
FINPROG_:
END
Código fuente en asembler (Rx)
AREA DE_UBICACION_DE_LOS_BLOQUES_DE_APLICACION_EN_TABLAS;*** TABLAS DE_PLANTILLAS_DE_MENSAJESDISPARM_: DC.B $08,$09,$0C,$0E
DC.B $0B,$80,$81,$82DC.B $83,$84,$85,$86DC.B $87,$88,$89,$8ADC.B $8B,$8C,$8D,$8EDC.B $8F,$0A,$90,$91DC.B $92,$93,$94,$95DC.B $96,$97,$98,$99DC.B $9A,$9B,$9C,$9DDC.B $9E,$9F,$0D
PLANT00_: DC.B $20,$20,$20,$50DC.B $4F,$52,$54,$41DC.B $56,$41,$53,$4FDC.B $53,$20,$20,$20DC.B $20,$20,$20,$20DC.B $20,$20,$20,$20DC.B $20,$20,$20,$20DC.B $20,$20,$20,$20
PLANT01_: DC.B $20,$20,$53,$45DC.B $52,$56,$49,$43DC.B $49,$4F,$20,$20DC.B $45,$4E,$20,$20DC.B $20,$50,$4F,$52DC.B $54,$41,$56,$41DC.B $53,$4F,$20,$20DC.B $E0,$D0,$80,$20
;*** AREA DE_UBICACION_DE_LOS_BLOQUES_DE_APLICACION_EN_TAREAS;*** AREA DE_UBICACION_DE_LOS_BLOQUES_DE_APLICACION_EN_RUTINAS;*** RUTINA DE_TAREA_0_PARA INICIALIZACION_DE_LA_APLICACION
148
INIAPLICA_:LDHX #!2CLRA
LI00021_: STA DAT00_ - 1,XDBNZX LI00021_
LI00029_:MOV #((STD066_ - ROMET0_) / 2) | $40,ESTD0_
LI00039_:LDHX #!16CLRA
LI00041_: STA RXBUF_ - 1,XDBNZX LI00041_
LI00049_:RTS
;*** RUTINA DE_PRETAREA_RAPIDA_DE_LA_EJECUCION_PRETAREA_:
LDA #(ROMET0_ - ROMETB_) / 2LDX #ESTD0_JSR DIRESI_
LI00059_:RTS
;*** SUBRUTINAS DE_LA_APLICACION_GRAFICA_
;*** PROCEDIMIENTOS DE_LOS_ESTADOS_DEL_PROGRAMA_ROMEST_:ROMES0_:EST066_:
BRCLR 7,ESTD0_,LI0006E_BCLR 4,SALEB_
LI00079_:BCLR 5,SALEB_
LI00089_:LI0006E_:
LDHX #PLANT00_STHX IVS0H_
LI00109_:BRCLR 4,FLAG1_,LI0011E_LDHX #!1
LI00121_: LDA RXBUF_ - 1,XSTA DAT01_ - 1,XDBNZX LI00121_
LI00129_:MOV #((STD067_ - ROMET0_) / 2) | $40,ESTD0_
LI00139_:LI0011E_:
RTS
EST067_:LDHX #PLANT01_STHX IVS0H_
149
LI00159_:MOV #(DAT01_ - DATOS_) & $3F,PVIS0_
LI00169_:BSET 4,SALEB_
LI00179_:BSET 5,SALEB_
LI00189_:BRCLR 7,FLARD_,LI0019E_BCLR 4,FLAG1_
LI00209_:MOV #((STD066_ - ROMET0_) / 2) | $40,ESTD0_
LI00219_:LI0019E_:
RTS
MAIN9_:ORG $4741DC.B $9D
ORG (MAIN9_ + $1FF) & $FE00;*** BLOQUES DE_ALMACENAMIENTO_EN_MEMORIA_NO_VOLATIL_USERROM_:
FINPROG_:
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FECHA 23 de Junio de 2009
NÚMERO RAPROGRAMA Ingeniería Electrónica.
AUTORES BELTRAN, Jaime; JAIME, Jonathan.TÍTULO DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PORTAVASOS SENSOR DE PESO
PARA BEBIDAS, CAPAZ DE ENVIAR UNA SEÑAL INALÁMBRICA,INFORMANDO LA NECESIDAD DE SERVICIO.
PALABRAS CLAVES Portavasos, sensor de peso, comunicación inalámbrica,Microgrades, ZigBee, amplificador diferencial, acondicionamientode señal, circuito de retención y muestreo, máquinas de estado,modulación OQPSK, Motorola 68HC908AP16, XBee, celda decarga, galga extensiométrica.
DESCRIPCIÓN La investigación consiste en el diseño y construcción de un sistematecnológico de ayuda, que soporte el proceso de comunicación del clientey quien atiende en un establecimiento de venta de bebidas. Consiste en undispositivo electrónico incorporado en un portavasos que mide el peso deun vaso vacío y posteriormente el peso de un vaso lleno para realizar elcálculo de la diferencia de los dos datos tomados. Con esta información, sebasa en una tabla previamente especificada por programación, paradeterminar el porcentaje de rango en el cual enviara señal al moduloreceptor. Dicho porcentaje esta calculado para distintos tipos y pesos devasos, de igual manera esta diseñado para que en el momento en que alusuario se le este terminando la bebida, que esta consumiendo, envíe laseñal inalámbrica de alerta.
FUENTES BIBLIOGRÁFICASBOYLESTAD, Nashelky. Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. 8 ed. México:Prentice may, 1997.
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NÚMERO RAPROGRAMA Ingeniería Electrónica.
CONTENIDOSOBJETIVOS
Diseñar y construir un dispositivo electrónico en un portavasos, el cual indique por medio deuna señal inalámbrica que se está terminando la bebida en el vaso.
Analizar los diferentes tipos de tecnologías inalámbricas y de microcontroladores para aplicarlos más adecuados al proyecto planteado.
Obtener la señal que provenga de un sensor de peso, para utilizarla en el proceso de control.
Usar un sistema de comunicación inalámbrico entre el punto de atención donde se encuentrael receptor y el sitio donde se requiere servicio.
Desarrollar un software para la medición del peso y control del proceso de envío deinformación al transmisor y programar un microcontrolador con dicho software.
Implementar una interfaz, en la recepción, donde se pueda visualizar la información quetransmite el portavasos.
Determinar el peso máximo que pueda soportar el dispositivo, para especificar lascaracterísticas del vaso que se puede utilizar.
Construir un prototipo, producto de la investigación que demuestre el funcionamiento y laviabilidad del proyecto.
DESCRIPCIÓN Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
La gran importancia de la comunicación es la transmisión y recepción de información demanera comprensible. Debido a que en la ciudad hay establecimientos muy concurridos y degran distancia entre la atención y el cliente; la comunicación se torna dificultosa y solicitarservicio se retrasa.¿Qué instrumento se puede crear, mediante la tecnología y en particular la ingenieríaelectrónica, para permitir que quien atiende, en un establecimiento de venta y consumo debebidas, se entere de una manera más rápida y fácil que al cliente se le esta terminando labebida y necesita ser atendido?
ALCANCES Y LIMITACIONES
El cubrimiento del proyecto consiste en el diseño y construcción del prototipo electrónico antesmencionado. Es diseñado utilizando un sensor de peso, en este caso una celda de carga y latecnología para operar la señal que emite el sensor se da por medio de un microcontroladorestableciendo información que se transmite mediante comunicación inalámbrica. La recepciónde estos datos es procesada por otro microcontrolador y visualizada en una pantalla LCD.
MARCO CONCEPTUAL -TEÓRICO
Hace referencia respecto a toda la teoría necesaria que incluye el proyecto como los tipos de
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celdas de carga, puente de wheatstone y sus clases, estructuras de los diferentesmicrocontroladores, entorno de programación microgrades, sistemas de control, comunicacióninalámbrica y sus clases, modulación, tecnología zigBee, acondicionadores de señal y moduloLCD.
MARCO LEGAL O NORMATIVO
El Ministerio de Comunicaciones expidió Resoluciones que hay que tener en cuenta en elsentido de permitir la libre utilización de dispositivos con antenas omnidireccionales, teniendoen cuenta los avances tecnológicos en la materia, evitando restringir el uso libre del espectropara la utilización de aparatos y dispositivos inalámbricos de banda ancha y baja potencia y lacomercialización de los mismos en el país.
METODOLOGÍA
El enfoque de esta investigación es empírico-analítico debido a que el producto final de éstaserá la verificación experimental de lo propuesto. En esta parte igualmente se menciona elenfoque de la investigación, técnicas de recolección de información, población y muestra, lahipótesis y las variables dependientes e independientes.
DESARROLLO INGENIERIL
La investigación consiste en el diseño y construcción de un dispositivo electrónico incorporadoen un portavasos que mide el peso de un vaso vacío y posteriormente el peso de un vasolleno para realizar el cálculo de la diferencia de los dos datos tomados. Con esta información,determinar el porcentaje de rango en el cual enviara señal de alarma al modulo receptor. Enesta sección se desarrollan cada uno de los pasos que se utilizaron para lograr el objetivo, sehace referencia al sensor, al acondicionamiento de la señal, al modulo de control, y al sistemade comunicación inalámbrico implementado, como también a los modelos matemáticosnecesarios y el software creado.
ANÁLISIS Y RESUSLTADOS
Para el diseño y creación del portavasos sensor de peso, es necesario estar al tanto deporque se genera el problema de la falta de comunicación entre el punto de atención y el sitioatendido. Para lograr captar esta información fue necesario, por medio de las encuestas,además de la vivencia propia y para que se diera una solución electrónica funcional eranecesario que la solicitud de servicio fuera automática, con lo cual se rechazó los timbresdebajo de la mesa, también era necesario que el cliente no tuviera que manipular eldispositivo, por lo tanto se obvió el vaso transmisor y los sensores de nivel y como beneficiode uso se quería también que fuera inalámbrico y portable esto descarto las mesastransmisoras. La solución de mejor aceptación fue el portavasos sensor de peso.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
El primer tópico se enfoca en una proposición final, a la que se llega después de laconsideración de la evidencia que el proyecto refleja y el segundo que son lasrecomendaciones determina posibles ajustes para el mejoramiento del prototipo entre lascuales se encuentran las siguientes: Para la utilización correcta del dispositivo es necesarioque quien lo implemente debe leer el manual de usuario en el anexo (F) y explicarle al clientecomo debe manejarlo.
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En el modulo de recepción es posible crear una interfaz con computador, para tener un mejormanejo y distribución de la información de cada portavasos, logrando hasta verificar lacantidad de bebidas que se han tomado por mesa y sacando la cuenta de consumo, entreotras.
NÚMERO RAPROGRAMA Ingeniería Electrónica.
METODOLOGÍA
1. ENFOQUE DE LA INVESTIGACIÓN
El enfoque de esta investigación es empírico-analítico debido a que el producto final de ésta serála verificación experimental de lo propuesto. Además este estudio va dirigido a la recopilación deinformación que se analizará para determinar la tecnología, el tipo de sensor y el sistemaelectrónico de mayor conveniencia para utilizar.
Posteriormente se harán ensayos, pruebas y diseños experimentales con dichos sistemaselectrónicos y de acuerdo con estos modelos, se determina el circuito final y sus respectivoscomponentes electrónicos, como también el tamaño y el material en el que será construido elportavasos, según necesidades.
Específicamente, el proceso para alcanzar los objetivos propuestos es en principio, lainvestigación dividida en bloques de cada etapa, con su respectivo diseño, montaje y pruebas,para finalmente acoplarlas y construir el producto final.
2. LINEAS DE INVESTIGACIÓN
Este proyecto pertenece a una línea de investigación con un proceso innovador y actual, como loes las telecomunicaciones, la instrumentación industrial y los microcontroladores programables,además esta dirigido a distintos tipos de sectores comerciales, que estarían interesados enobtener mejoras de tipo tecnológico para incrementar los beneficios de sus negocios, traducidocomo aportes a la sociedad. Por lo tanto pertenece a la línea institucional tecnologías actuales ysociedad.
La sublinea de la facultad a la cual se suscribe este proyecto es instrumentación y control deprocesos, esto debido a que este proyecto esta basado en un sistema de control aplicado en uncampo de la industria, que puede ser de proyección profesional de acuerdo a lo buscado por lalínea de investigación de la facultad de ingeniería.
Conjuntamente, dentro del nodo de ingeniería electrónica este proyecto es vinculado al campode investigación de control y comunicaciones, puesto que se realizan distintas aplicaciones einvestigaciones, mediante diseño e implementación de la ingeniería electrónica, enfocados en lacomunicación, inalámbrica para este caso y de control y automatización del proceso antesmencionado.
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3. TÉCNICAS DE RECOLECCIÓN DE INFORMACIÓN
Para el desarrollo de este proyecto es necesario hacer una gran recopilación de información delfuncionamiento de cada uno de los componentes electrónicos del proyecto, esta recolección sehace por medio de Internet, libros especializados y documentos técnicos.
Así mismo, se realizó una encuesta acerca de la utilidad y de lo innovador que puede ser laimplementación del portavasos en un establecimiento de consumo de bebidas; realizada aclientes y tenderos en una zona de alta concentración de bares y restaurantes en Bogotá.
La encuesta y ficha técnica de resultados se encuentra en los anexos (B) y (C).
4. POBLACIÓN Y MUESTRA
Por medio de la encuesta realizada se puede verificar que el desarrollo del proyecto es viable yde gran utilidad en la sociedad colombiana. Dicha encuesta arrojo resultados que denotan elinterés de los clientes por la innovación tecnológica, en cualquier estatus social, pero con ciertoescepticismo por parte de los tenderos en locales de reducido presupuesto.
5. HIPÓTESIS
Si la comunicación en sitios concurridos y con necesidad de servicio, está limitada a señas,sonidos fuertes o tener que alzar la voz; se puede decir que la creación de un dispositivoelectrónico que permita la comunicación de forma automatizada, indicando que el vaso en quese consume una bebida esta desocupándose y necesita ser llenado nuevamente, logrará unamejor comunicación entre el cliente y quien atiende, generando beneficios mutuos.
Además de que si se realiza evitando el uso de cables, genera una ventaja de ubicación yespació, obviando el hecho de que solicitar servicio sea una tarea incomoda y que no se realicepor incomunicación.
Mediante el desarrollo de la tecnología y en específico con la ingeniería electrónica, se puedeconstruir un dispositivo electrónico en un portavasos, que con sistemas de control ycomunicación inalámbrica, logren enviar una señal de alerta, para que la persona que atiende sede cuenta que el cliente necesita más bebida.
6. VARIABLES
6.1 Variables independientes.
Una variable importante es el peso, debido a que estará cambiando constantemente y nodependerá del portavasos sino del consumo.
La alimentación que energiza el portavasos esta limitada a la capacidad de duración de la bateríautilizada.
El consumo de corriente de cada uno de los componentes, ya que depende de la capacidad dadapor el fabricante y no del dispositivo.
Los datos almacenados por el portavasos, al ser programado en vacío y en lleno dependerán delpeso y capacidad del vaso, además de la densidad de la bebida.
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6.2 Variables dependientes.
La capacidad del sensor, en este caso, la celda de carga la cual tiene un alcance de 5 kilogramosque al ser excedida la averiara.
El alcance del modulo XBee implementado en el portavasos. En campo abierto es de 100 metrosy cerrado 30 metros.
El software implementado deberá ser probado confirmando que trabaja correctamente de estodependerá el buen funcionamiento del dispositivo.
El direccionamiento de los portavasos y el identificador ID para que la recepción del número deportavasos sea correcta y evite interferencias.
Retrazo de la visualización en la recepción, del requerimiento de servicio, debido al envío devarias señales al mismo tiempo por parte de los portavasos.
Los datos procesados por el microcontrolador deben ser correctos, es decir, tanto para sacar ladiferencia, el porcentaje y el calculo de nivel, de este modo indique que el vaso esta apunto devaciarse, para poder enviar la señal de alarma en un paquete RF.
CONCLUSIONESSe investigó y se analizó las diferentes tecnologías de comunicación inalámbrica ymicrontroladores, tomando la decisión de aplicar una nueva tecnología de comunicación, ZigBee,que tiene un gran alcance manejando una frecuencia de 2.4GHz y obteniendo un funcionamientoóptimo, de la misma manera se implementó el microcontrolador de Motorola 68HC908AP16 porsu resolución de 10 bits en el conversor y su tamaño, que se adaptaba a las característicasfísicas del portavasos.
Se tomó la señal proveniente de la celda de carga, se estudió y analizó para diseñar elacondicionamiento de señal y lograr que el conversor análogo/digital lo pueda procesar.
Se diseño y se creó el software mediante el lenguaje de programación (Microgrades), para lamedición del peso, proceso de control y envío de información al receptor.
Se desarrolló y construyó un producto final, que cumple con los parámetros que se establecieron,funcionando correctamente y logrando la aplicación de diferentes conocimientos y tecnologíaselectrónicas.
En la construcción del equipo se tuvo en cuenta las necesidades del mercado, de manera quese adapte lo mejor posible a los requerimientos de la aplicación.
Este portavasos tiene la capacidad de programarse para cualquier tipo de vaso, permitiendo suuso en cualquier tipo de establecimiento, con sus respectivas presentaciones y porciones.
El sensor de peso, en este caso la celda de carga es bastante buena ya que tiene una grancapacidad con excelente sensibilidad.
Varios de los componentes utilizados para la creación de este dispositivo, necesitan voltaje altopara su funcionamiento, lo cual hace que la alimentación por medio de baterías sea muy limitada.
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