proyecto final termÓmetro
TRANSCRIPT
ESCUELA DE DISEÑO INDUSTRIAL
Tema:
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TERMÓMETRO DIGITAL PARA EL PARQUE INFANTIL ATOCHA
PROYECTO PROFESIONAL
DÉCIMO OBJETOS
Autora:
María Isabel Heredia López
Docente- Director:
Ing. Santiago Acurio
Líneas de Investigación:
Automatización y robótica como herramienta en el Diseño Industrial
Ambato – Ecuador
Mayo 2012
PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL ECUADOR
SEDE AMBATO
HOJA DE APROBACIÓN
Tema:
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TERMÓMETRO DIGITAL PARA EL PARQUE INFANTIL ATOCHA
María Isabel Heredia López f. _____________________
AUTORA
Ing. Santiago Acurio . f. _____________________
DIRECTOR - DOCENTE.
Líneas de Investigación:
Automatización y robótica como herramienta en el Diseño Industrial
Ambato – Ecuador
Mayo – 2012
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN 6
2. JUSTIFICACIÓN 7
CAPÍTULO I 8
3. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN 8 3.1. Problema 8 3.2. ANTECEDENTES 8 3.3. OBJETIVOS 9
3.3.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 9
CAPITULO II 10
4. MARCO TEORICO 10 ELECTRÓNICA DIGITAL 10 ELEMENTOS DE UN CIRCUITO 11
Resistencias 11 Clases de Resistencias: 12 Valor óhmico y tolerancia de las resistencias 13 Para qué sirven las resistencias 14 Indicación del valor de las resistencias 14
Diodo LED 15 Ventajas del LED 15 Desventajas del LED 16
Sensor 16 Características de un sensor 17
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL 18
CAPÍTULO III 20
5. METODOLOGÍA 20 ENFOQUE 20 MÉTODO 20 TÉCNICA 21
CAPÍTULO IV 22
6. PROPUESTA 22 Termómetro Ambiental Digital con LEDS 22
Objetivo 22 Descripción: 22 Materiales: 22 Procedimiento: 24
BIBLIOGRAFÍA 28
TABLA DE IMÁGENES
Fig.1: Elementos de un circuito electrónico 11 Fig. 2: Resistencia 11 Fig.3: Código de colores de las resistencias 12 Fig. 4: Estructura Diodo LED 15 Fig.5: Sensor de movimiento 17 Fig.6: Circuito integrado 741 19 Fig. 7: Diagrama del Circuito Termómetro Electrónico 24 Fig. 8: Circuito de termómetro digital 25 Fig. 9: Diseño, medidas y proporción del letrero informativo 25 Fig. 10: Cableado interno del termómetro ambiental 26 Fig.11: Vistas maqueta letrero informativo con termómetro digital 27
1. INTRODUCCIÓN
La Parroquia Atocha, lleva el nombre de su patrono, aquí sus edificaciones
antiguas y modernas realizan un contraste con sus estrechas calles adoquinadas,
con su iglesia de estilo español, su parque central y quintas. Existen muchos
lugares característicos de este lugar de entre los cuales se puede destacar el
Parque Infantil Atocha.
El Parque Infantil de Atocha es un espacio para la recreación de los niños de la
ciudad, en el que se puede disfrutar de un tiempo de sano esparcimiento en
familia. Este lugar carece de servicios para atención al público que ahí concurre,
entre los que podemos destacar, un lugar que brinde información a la ciudadanía
sobre la temperatura en la que se encuentran.
El diseño industrial de objetos permite la apropiada adaptación de estos sistemas
a las necesidades del diseño urbanístico. Herramientas como la electrónica digital
nos permite dar un valor agregado al producto y mejorar sus características.
Primero definiremos, ¿qué es electrónica digital? La electrónica digital puede
definirse como la parte de la electrónica que estudia los dispositivos, circuitos y
sistemas digitales, binarios o lógicos. A diferencia de la electrónica lineal o
analógica que trabaja con señales analógicas que pueden adoptar una amplia
gama de valores de voltaje, los voltajes en electrónica digital están restringidos a
adoptar uno de dos valores llamados niveles lógicos alto y bajo o estados 1 y 0.
Actualmente, la electrónica digital está en pleno desarrollo y los logros en este
campo son cada vez más sorprendentes.
Este proyecto tiene como finalidad conceptuar el análisis y diseño de circuitos
electrónicos para el diseño y construcción de un termómetro digital, mostrar las
ventajas del uso de circuitos combinacionales con la integración de sensores y
dispositivos de visualización de señales en respuesta.
2. JUSTIFICACIÓN
El desarrollo de un proyecto que realice un estudio, análisis y aplicación de
electrónica digital es de gran beneficio para los diseñadores de espacios
urbanísticos quienes se beneficiarán de la utilizando la tecnología para mejorar las
características estéticas de los espacios y dar un valor agregado. De igual manera
la ciudadanía ambateña se beneficiará con la información que brindará el
termómetro digital y la mejora estética que representa para el espacio público
(parque).
La industria ambateña se beneficia con los resultados obtenidos de esta
investigación que pueden ser implantados en el diseño y desarrollo de nuevos
productos.
Los estudiantes de la Escuela de Diseño Industrial que desarrollen este proyecto
se beneficiarán con los conocimientos adquiridos durante la investigación y
adquirirán nuevas destrezas.
La Pontificia Universidad Católica del Ecuador Sede Ambato se beneficiará con el
prestigio que brinde los resultados de este proyecto.
CAPÍTULO I
3. PROBLEMA DE INVESTIGACIÓN
3.1. Problema
¿Qué aplicar los conocimientos de electrónica para dar valor agregado en el
diseño y construcción de objetos?
3.2. ANTECEDENTES
La aplicación de la electrónica y, en especial, de la electrónica digital se da casi en
todas las actividades del ser humano. Uno de los campos importantes de su
aplicación es en la industria, en la cual existen un sinnúmero de equipos cuyas
funciones van desde la simple indicación digital de alguna variable, hasta el control
automático de procesos complejos.
La incorporación de la electrónica digital como elemento en el diseño de objetos
es indispensable ya que ofrece ventajas competitivas en relación con otros objetos
que no incorporan esta tecnología.
Una de las aplicaciones de la electrónica digital es el procesado y almacenamiento
de datos. Tenemos por ejemplo la música, tiene carácter analógico, pero
realizando una transformación analógico-digital, se puede almacenar en un CD u
otro dispositivo de almacenamiento, en forma de ceros y unos. De igual manera
cualquier otro sistema analógico puedes ser transformado a un sistema digital a
través de un “muestreo”, que consiste en coger una cantidad finita de datos cada
segundo y posteriormente digitalizarlos.
El número de muestras o puntos que se toman cada segundo, se denomina
frecuencia de muestreo.
Esto facilita la manipulación de la información por el usuario y simplifica procesos.
Por eso brinda objetos con una interacción más amistosa y a la vez reduce costos.
3.3. OBJETIVOS
Diseñar un termómetro ambiental para El Parque Recreacional de Atocha
utilizando un sistema electrónico digital
3.3.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Investigar conceptos de electrónica digital y circuitos integrados que se
puedan utilizar para el desarrollo del proyecto.
• Definir un circuito electrónico para la elaboración del termómetro.
• Proponer un diseño para el termómetro ambiental
CAPITULO II
4. MARCO TEORICO
ELECTRÓNICA DIGITAL
La electrónica digital es una parte de la electrónica que se encarga del estudio de
sistemas electrónicos en los cuales la información está codificada en dos únicos
estados.
A dichos estados se les puede llamar "verdadero" o "falso", o más comúnmente 1
y 0. Electrónicamente se les asigna a cada uno un voltaje o rango de voltaje
determinado, a los que se les denomina niveles lógicos, típicos en toda señal
digital.
Se diferencia de la electrónica analógica en que, para la electrónica digital un valor
de voltaje codifica uno de estos dos estados, mientras que para la electrónica
analógica hay una infinidad de estados de información que codificar según el valor
del voltaje.
Esta particularidad permite que usando Álgebra de Boole y un sistema de
numeración binario se puedan realizar complejas operaciones lógicas o
aritméticas sobre las señales de entrada, muy costosas de hacer empleando
métodos analógicos.
La electrónica digital ha alcanzado una gran importancia debido a que es utilizada
para realizar autómatas y por ser la piedra angular de los sistemas micro
programados como son los ordenadores o computadoras.
ELEMENTOS DE UN CIRCUITO
Fig.1: Elementos de un circuito electrónico
A continuación se describirán los posibles elementos a utilizar para el desarrollo
de la propuesta.
Resistencias
Fig. 2: Resistencia
Podemos definir la resistencia como aquel componente que opone cierta dificultad
al paso de la corriente eléctrica. Es decir, ofrece resistencia a dejarse atravesar
por la corriente eléctrica en los más variados valores según el tipo de componente,
de modo que pueden cumplir diversas funciones tales como la polarización de
carga, limitadores de tensión, etc.
Las resistencias, son los elementos que más abundan el los circuitos electrónicos.
Cuando destapemos cualquier caja que contenga semiconductores las veremos
con profusión, distinguidas en seguida por aros de vivos colores que las envuelven
y que, indican el valor de su resistencia óhmica, de acuerdo con su código.
Fig.3: Código de colores de las resistencias
Clases de Resistencias:
Estableceremos una clasificación de las resistencias de acuerdo con la forma de
estar construidas, y también de acuerdo con los materiales con los se lleva a cabo
esta construcción.
1. Resistencias aglomeradas.
2. Resistencias de capa o película.
3. Resistencias Bobinadas.
Las resistencias aglomeradas se componen de una masa homogénea de grafito
mezclado con un elemento aglutinante, fuertemente prensado en forma cilíndrica y
encapsulada en un manguito de material aislante como el plástico. El valor óhmico
de una resistencia de carbón, es decir, su mayor o menor facilidad para dejar
pasar la corriente eléctrica depende de las proporciones del grafito y aglutinante
empleadas en su fabricación.
En las resistencias de capa o película, el elemento resistivo es una finísima capa
de carbón sobre un cuerpo aislante, de forma también cilíndrica. El cuerpo central
es, en algunos casos, un minúsculo tubo de cristal con los terminales de conexión
conectados a cada extremo. Una variante de este tipo de resistencias son las
llamadas resistencias de película metálica, en las que la capa de carbón ha sido
sustituida por una aleación metálica de alta constante resistiva (níquel, cromo u
oro-platino) o un óxido metálico como el óxido de estaño.
En las resistencias bobinadas se emplea un hilo conductor que posea una
resistencia específica especialmente alta. El hilo conductor se arrolla encima de un
cuerpo, generalmente un tubo de cerámica. En cuanto a los extremos del hilo, se
fijan generalmente con abrazaderas que a su vez pueden servir como conexiones
para el montaje e, incluso, si las abrazaderas son desplazables se pueden obtener
valores de resistencia parciales. En muchas ocasiones se hallan también
colocadas dentro de un prisma cerámico de sección cuadrada y se sellan con una
silicona especial para que se hallen debidamente protegidas.
Valor óhmico y tolerancia de las resistencias
Lo que más nos interesa de las resistencias es, desde, su valor óhmico, es decir,
la oposición que ofrece el paso de la corriente eléctrica. Este valor no tiene
ninguna relación con el tamaño, sino que los materiales constituyentes de la
resistencia. En cuanto al valor óhmico hay que tener en cuenta que éste queda
afectado por el calor, el calor se produce siempre que la corriente eléctricapasa a
través de una resistencia, y este aumento de la temperatura modifica el valor de
las resistencias. Por este motivo, en algunos aparatos de medida hay que esperar
hasta que se hayan calentado las resistencias antes de hacer la medición para
que cese la variación de resistencia que estos elementos provocan. Téngase en
cuenta que, después de cierto tiempo, se establece un estado de equilibrio entre el
calor producido y el calor irradiado, con lo que la temperatura no sigue
aumentando. De todos modos, el valor asignado a una resistencia es siempre
aproximado, y de ahí que deba contarse siempre con una tolerancia, de modo que
el valor nominal puede variar dentro de ciertos límites.
Para qué sirven las resistencias
En los circuitos electrónicos, tanto las tensiones como las corrientes es preciso
controlarlas para conseguir los efectos deseados. No podemos, por ejemplo,
mandar indiscriminadamente corriente a la base de un transistor; por el contrario,
estas bases precisan siempre tensiones de polarización para que puedan
funcionar dentro de los límites correctos, lo cual quiere decir que la tensión de
base de un transistor debe mantenerse a una tensión constante con respecto el
emisor.
Indicación del valor de las resistencias
Nos interesa realmente conocer el valor de cada una de las resistencias que
forman parte de un circuito, ya que si alguna vez se ha de cambiar alguna
resistencia que la sepamos sustituir por otra del valor adecuado.
El valor de las resistencias va grabado sobre ellas y puede venir indicado por
medio de cifras, por anillos de color o bien por puntos de color , grabado todo ello,
como decimos, sobre la superficie exterior del componente y de acuerdo con un
código que tenemos que conocer. El uso de anillos de color pintados es el sistema
más corriente utilizado en electrónica, y es el que vamos a estudiar en esta
página.
Diodo LED
El LED (Light-Emitting Diode: Diodo Emisor de Luz), es un dispositivo
semiconductor que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polariza
de forma directa la unión PN en la cual circula por él una corriente eléctrica. Este
fenómeno es una forma de electroluminiscencia, el LED es un tipo especial de
diodo que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la
corriente eléctrica, emite luz. Este dispositivo semiconductor está comúnmente
encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio
que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico
puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el
color de la luz emitida. Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con
diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede
ser bastante complejo.
Fig. 4: Estructura Diodo LED
Ventajas del LED
Fiabilidad, mayor eficiencia energética, mayor resistencia a las vibraciones, mejor
visión ante diversas circunstancias de iluminación, menor disipación de energía,
menor riesgo para el medio ambiente, capacidad para operar de forma
intermitente de modo continuo, respuesta rápida, etc. Asimismo, con LED se
pueden producir luces de diferentes colores con un rendimiento luminoso elevado,
a diferencia de muchas de las lámparas utilizadas hasta ahora, que tienen filtros
para lograr un efecto similar (lo que supone una reducción de su eficiencia
energética). Todo ello pone de manifiesto las numerosas ventajas que los LED
ofrecen. También se utilizan en la emisión de señales de luz que se trasmiten a
través de fibra óptica.
Desventajas del LED
Las desventajas del diodo LED son que su potencia de iluminación es tan baja,
que su luz es invisible bajo una fuente de luz brillante y que su ángulo de
visibilidad está entre los 30° y 60°. Este último problema se corrige con cubiertas
difusores de luz.1
Sensor
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas,
llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas.
Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad
lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza,
torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia
eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de
humedad), una Tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica
(como en un fototransistor), etc.
1 http://www.monografias.com/trabajos60/diodo-led/diodo-led2.shtml#xventled
Fig.5: Sensor de movimiento
Un sensor diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto
con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un
dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal
que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el
termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de
dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede
decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra.
Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, robótica, industria
aeroespacial, medicina, industria de manufactura, etc.
Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas
como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.
Características de un sensor
• Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede
aplicarse el sensor.
• Precisión: es el error de medida máximo esperado.
• Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable
de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la
variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia
para definir el offset.
• Linealidad o correlación lineal.
• Sensibilidad de un sensor: suponiendo que es de entrada a salida y la
variación de la magnitud de entrada.
• Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede
apreciarse a la salida.
• Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe
la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las
variaciones de la magnitud de entrada.
• Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de
entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser
condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el
envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
• Repetibilidad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.
Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere
medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa
(e.g. un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador
(posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un
display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano.
Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura
directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de
acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y
filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de
los circuitos.2
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
2 http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor
Fig.6: Circuito integrado 741
El nombre de operacional se debe al uso que de este circuito se hacía en los
primitivos ordenadores analógicos, capaces de realizar operaciones aritméticas de
distinto grado de complejidad. Estos amplificadores poseen una elevadísima
resistencia de entrada, por lo que pueden detectar señales muy pequeñas (de
orden de microvoltios) y amplificarlas miles de veces.
Una de las aplicaciones del amplificador operacional es la comparar tensiones y
es ésta la que vamos a estudiar. Un comparador es un operador que tiene dos
entradas y una salida. Si la entrada positiva (+), también denominada no
inversora, está a más tensión que la entrada negativa o inversora (-), en el
terminal de salida aparece una tensión igual a la tensión de alimentación. En caso
contrario, la salida será nula, o negativa si se alimenta con tensión simétrica.
Los amplificadores operacionales se emplean en circuitos de control de
temperatura, luminosidad, humedad, detectores de incendios, receptores de radio
y televisión, etc... El famoso circuito integrado 741 es un amplificador operacional
alojado en una cápsula de tipo DIP8, de 8 pines. El LM358 contiene dos
amplificadores operacionales en el interior de una cápsula DIP8. 3
3 http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional
CAPÍTULO III
5. METODOLOGÍA
La metodología a emplearse para este proyecto es:
ENFOQUE
Cualitativo
Este proyecto se desarrollará en base a un enfoque cualitativo debido a que en el
proyecto se desarrollará en base al cumplimiento de normas básicas de
funcionalidad, estética y satisfacción de necesidades.
MÉTODO
Bibliográfico
Se realizará una investigación del tipo bibliográfica para obtener en internet y
libros de Electrónica Digital, Diseño Industrial Infantil, fundamentos técnicos para
sustentar la propuesta.
Campo
La metodología de campo, Investigación-acción, investigación sobre la práctica,
investigación participante; busca la obtención y recolección de datos mientras se
observa y manipula el objeto de estudio de esta investigación.
Esta investigación de campo permitirá determinar el circuito electrónico más
adecuado para la realización del termómetro digital.
TÉCNICA
Revisión Documental o recolección de datos
Para la investigación bibliográfica se realizará la técnica de revisión documental en
fuentes físicas y virtuales.
Observación
Para el trabajo de campo se realizará una observación de funcionamiento de los
distintos elementos electrónicos y las respuestas que brindan.
CAPÍTULO IV
6. PROPUESTA
Termómetro Ambiental Digital con LEDS
Objetivo
Realizar un termómetro ambiental que muestre la variación de temperaturas en
una columna de LEDS mediante el uso de conocimientos de electrónica digital.
Descripción:
Se requiere un termómetro ambiental como señal informativa en el Parque Infantil
de Atocha que utilice un circuito electrónico digital simple y económico.
Se busca representar de manera visual el aumento o disminución de temperatura
como se visualizaría en un termómetro de mercurio el que este metal se dilataba a
través del capilar de cristal y ascendía o descendía:
Entrada Sensor de temperatura
Salida LEDS
Los datos de la temperatura se toman y se transforman a impulsos electrónicos
que serán reconocidos por el circuito amplificador operacional y finalmente se
enviará a un controlador de LEDS que según el voltaje que reconozca encenderá
un número determinado de LEDS.
Materiales:
Se necesitaran los siguientes materiales electrónicos:
3 diodos LEDS azules
3 diodos LEDS rojos
4 diodos LEDS amarillos
1 amplificador operacional LM324
1 potenciómetro de 10k
3 resistencias: 2.2kΩ 10kΩ y 22kΩ
1 sensor de temperatura LM35
1 controlador de LEDS LM3914
Procedimiento:
Paso 1
Colocar todos los circuitos integrados y polarizarlos como se indica en las hojas
técnicas anexadas al final de este proyecto.
Colocar el sensor de temperatura y polarizarlo.
Conectar todos los elementos con cable de red como se indica en el diagrama:
Fig. 7: Diagrama del Circuito Termómetro Electrónico
Paso 2
Conectar el circuito a una batería o cualquier fuente de corriente continua de 9v.
Fig. 8: Circuito de termómetro digital
Paso 3
Los LEDS se colocarán en el soporte de la señal informativa que posee las
siguientes medidas y características:
Fig. 9: Diseño, medidas y proporción del letrero informativo
Internamente los LEDS se conectan al circuito que se encuentra en la base del
letrero como se muestra a continuación:
Fig. 10: Cableado interno del termómetro ambiental
Paso 4
Cerrar el letrero informativo con publicidad al otro lado para optimizar el tablero
informativo.
Fig.11: Vistas maqueta letrero informativo con termómetro digital
BIBLIOGRAFÍA
http://definicion.de/electronica/
http://definicion.de/robotica/
http://robotec11.tripod.com/id3.html
http://www.areaelectronica.com/semiconductores-comunes/transistores.htm
http://www.monografias.com/trabajos60/diodo-led/diodo-led2.shtml#xventled
http://es.wikipedia.org/wiki/Sensor