EnCORTOCIRCUITO_N18(Agosto09)

EDICIÓN N°18

En CORTOCIRCUITO N°18 > ÍNDICE<

Contenidos

Página

Del editor al lector ………………………………………………................................. 3 Implementación de elementos pasivos de Microondas sobre PBC ……………………..4 Diseño, simulación e implementación de elementos activos para Microondas ……….10 Análisis y diseño de una antena yagi

………………………………………………...17

Gamma-Match …………………………...……………………………………………23 Laboratorios Remotos a través de la Web …………………………………………….30 Control de una cámara Web usando Python

…………………………………………35

Construcción e un Brazo Robótico …….……………………………………………..37 Implementación y configuración de un servidor PODCAST

………………………..42

Método de control para un display gráfico (GLCD) con microcontrolador AVR ….….48 Desarrollo y verificación de un modelo matemático para la proyección de imágenes estroboscópicas basadas en tecnología led …………...………………………………56 Diseño de un Sistema para Reconocimiento de Patrones de Audio utilizando Redes Neuronales a través del entorno Matlab 7.7 Robot Hexápodo

……………………………………….62

……………………………………………………………………..69

Diseño y Funcionamiento de un Ascensor a Escala Control de Variables en un Invernadero Medidor de Longitud Óptico

…………………………………73

…………………………………………...77

……………………………………………..…………86

Tacómetro …………………………………………………………………………….90 Academia Siemens: Control de Puertas ………….…………………………………...96 Eventos: IEEE – UTPL

……………………………………………………………..110

Eventos: EET – UTPL

……………………………………………………………...110

Eventos: Seminario ………………………………………………………………….112 Eventos: Visitas Técnicas …………………………………………………………...114

EDITORIAL Página 3

> Del Editor al Lector<

Del Editor al Lector Edición N° 18 Julio 2009 DIRECCIÓN Ing. Jorge Luis Jaramillo [email protected] En esta nueva edición de En CORTOCIRCUITO se recopiló los trabajos desarrollados en el semestre, con el ánimo de difundir nuestro trabajo como Escuela y el avance de la misma, además se ha buscado una mayor circulación de la revista, por ello se ha creado un blog para poder descargarla, visualizarla en línea o chequear las novedades de cada edición, les invito a revisarlo, la dirección es blogs.utpl.edu.ec/cortocircuito.

EDITORIAL Andrea Castillo Carrión [email protected] REVISIÓN TÉCNICA Ing. Patricio Puchaicela [email protected]

Esperamos sea de su agrado y ayude a descubrir e ―En CORTOCIRCUITO es una publicación incentivar la creatividad de todos quienes disfrutade la Escuela de Electrónica mos de los artículos de la revista. y Telecomunicaciones de la Siempre con el ánimo de innovar y mejorar cada día esperamos sus comentarios, sugerencias y aportes para brindar un trabajo de calidad y renombre.

Universidad Técnica Particular de Loja‖

Andrea Castillo Carrión Editora de En CORTOCIRCUITO

[email protected] Loja - Ecuador

“Dadme un punto de apoyo y moveré la tierra y el cielo” ARQUÍMEDES

En-Cortocircuito Nº 18 by Escuela de Electrónica y Telecomunicaciones is licensed under a Creative Commons Reconocimiento-No comercial-Sin obras derivadas 3.0 Ecuador License. Permissions beyond the scope of this license may be available at http://www.utpl.edu.ec/blog/eetblog/.

RADIOCOMUNICACIONES Página 4

> ELEMENTOS PASIVOS DE MICROONDAS<

IMPLEMENTACIÓN DE ELEMENTOS PASIVOS DE MICROODAS SOBRE PCB *Edwin F. Quichimbo; Ing. Marco V. Morocho Y.+ [email protected] [email protected] Resumen—El presente artículo muestra consideraciones generales que implica el diseño, la simulación y la implementación de circuitos pasivos para microondas, enfocados principalmente sobre tres elementos que son el híbrido de cuadratura, el acoplador de anillo y un filtro pasa banda, pero antes de ello se describe brevemente como es el modelo básico que rigen a las líneas de microcinta, y por ser un tema bastante amplio de enfocar, nos remitimos únicamente a un resumen del trabajo realizado, para su posterior simulación e implementación. Índice de Términos—elemento pasivo, hibrido, microwave office, PCB.

E

I.

INTRODUCCIÓN

l incremento de servicios y aplicaciones que operen en el orden de frecuencias de microondas hace necesario la implementación de elementos cuya producción e inserción en el área de trabajo sea mucho más fácil, con una estructura más compacta y ligera; es así que las líneas de transmisión en circuito impreso o conocida como tecnología microstrip, es una alternativa para la implementación de dichas aplicaciones, con el ahorro económico que involucra la elaboración de las mismas. La tecnología microstrip se ha usado desde tiempo atrás y de manera amplia debido a que tiene un ancho de banda extenso y además proporciona circuitos muy compactos y ligeros, son económicos de producir, fácilmente adaptables a las tecnologías de producción de circuitos integrados híbridos y monolíticos a frecuencias de radio frecuencia y microondas. Las líneas de microcinta presentan características propias de impedancia, capacitancia e inductancia, que dentro de una determinada geometría hacen posible el equivalente a un determinado circuito, que posteriormente serán implementadas sobre una PCB, que dentro de las mejores posibilidades se encuentran centradas en la placa de bakelita y de fibra de vidrio. Para reducir los esfuerzos y comprobar los resultados previo a la implementación, es necesario un sistema de simulación por computadora, que en este caso se hará uso de microwave office, un potente sistema, el cual posee un amplio rango de trabajo sobre líneas de microcinta, y por su versatilidad a la hora de mostrar resultados se hace necesario su utilización.

II.

LINEAS DE MICROCINTA

Una línea de microcinta creada sobre una placa para circuito impreso consiste en dibujar e implementar las pistas correspondientes al sistema sobre el cobre que conforma la placa, en su parte inferior se encuentra un material dieléctrico de sustrato que posee sus características de permeabilidad eléctrica, así como magnética, y el plano de tierra de la placa se constituye en un segundo conductor por debajo de el sustrato dieléctrico. El espesor del sustrato, su permitividad dieléctrica y es ancho que posee las líneas son los parámetros más importantes y que se deben tomar en cuenta a la hora del diseño de los sistemas. El modo de propagación dominante en una línea de microcinta en un solo medio es el modo transversal electromagnético (TEM), en este modo de propagación, las líneas de campo eléctrico y magnético caen en planos perpendiculares a la dirección de propagación y la distribución de campos puede obtenerse mediante una solución para campos estáticos en el plano transverso [1].

Fig1. Esquema de línea microcinta. Mediante el uso de secciones de líneas microcintas, puede producirse una amplia gama de componentes. Las secciones de microcintas pueden ser tratadas como elementos distribuidos, cuando sus dimensiones son del orden de la longitud de onda, y, como elementos concentrados cuando sus dimensiones son mucho más pequeñas que la longitud de onda. Las secciones de microcintas, principalmente pueden ser utilizadas dentro de estos componentes:

RADIOCOMUNICACIONES Página 5

> ELEMENTOS PASIVOS DE MICROONDAS<  Filtros pasa bajas, pasa altas.  Filtros pasa banda y rechaza banda.  Acopladores direccionales  Divisores de potencia  Circuladores, aisladores.  Atenuadores  Resonadores  Transformadores  Combinadores  Líneas de retardo  Antenas La constante dieléctrica efectiva para una línea de microcinta viene expresada por la ecuación [2]:

r 

 r 1  r 1 2



2

1 1  12Wd

Las discontinuidades más comunes se presentan en la siguiente figura:

(1)

Fig3. Discontinuidades en microcintas. (Líneas de microcinta, Luis Miguel Capacho)

Fig2. Parámetros de una línea microcinta (Microstrip Filters for RF, JIA-SHENG HONG) Si conocemos las dimensiones de la línea de microcinta, la impedancia característica está dada por la siguiente ecuación Z0  Z0 

:

60  8d W  ln    r  W 4d  120 W W   r   1.393  0.667 ln  1.444  b b   

Para Para

W 1 b

A. Características de diseño Para el trazado de las líneas dentro del circuito impreso es necesario tomar en cuenta que los segmentos curvados que se efectúen. Por los requerimientos estos deberán cumplir ciertas normas para no producir efectos que sean negativos o afecten el desempeño de nuestro sistema, es así que se menciona los siguientes casos [4]. Una terminación se puede modelar como un circuito de una red conformada por elementos capacitivos e inductivos como se muestra en la siguiente figura:

W 1 b

(2)

El uso de circuitos de microcinta permite reducir el tamaño, peso y costo de componentes y sistemas de Fig4. Doblés y circuito equivalente (Microwave microondas, reemplazando a la mayoría de componentes de Egineering using Microstrip Circuits, E.H. FOOKS) guías de onda y otros ensambles. Las discontinuidades se presentan debido a que nunca se tiene una línea totalmente uniforme, siempre existen acopladores, atenuadores, empalmes, entre otros, que ocasionan dicha discontinuidad. Cada discontinuidad se puede modelar con un circuito equivalente que presenta diferentes características de capacitancia e inductancia [3].

Según normas establecidas para el diseño de estas pistas no es correcto dejar curvaturas con un ángulo de 90º, ya que como en el modelo anterior es necesario tomar en cuenta que se incrementa los efectos tanto inductivo como capacitivo y según sean los requerimientos se procede de la siguiente manera para tener un control de los mismos de acuerdo a las configuraciones siguientes:

RADIOCOMUNICACIONES Página 6

> ELEMENTOS PASIVOS DE MICROONDAS<

Fig5. Incremento inductivo y disminución capacitiva y circuito equivalente (Microwave Egineering using Microstrip Circuits, E.H. FOOKS) La gráfica anterior muestra la forma de incrementar el Fig6. a) Matriz de impedancia característica b) Hibrido de efecto inductivo, dentro de la línea sobre una esquina de la cuadratura misma, mientras que la figura derecha nos muestra cómo es En la gráfica anterior también se muestra las que se logra disminuir la capacitancia existente en la misma. características de impedancia necesarias para nuestra aplicación. Basándonos en esta figura, deducimos que si III. SIMULACIONES una señal se aplicada al puerto 1, esta se dividirá en forma Las simulaciones que se efectúen estarán basas en la equilibrada sobre los puertos 2 y 3, mientras que el 4 plataforma de microwave office, software de alto poder quedará aislado. computacional enfocado al diseño de circuitos de microondas con líneas microstrip, además, las variables con Para un análisis más detallado, se hace uso de bases las que se tiene una mayor familiaridad son los parámetro S, matemáticas, como son el análisis par e impar, pero para por ende, este software nos permite hacer uso y obtener resumir y abreviar el diseño hacemos usos de herramientas resultados en base a estos, además, una completa como son la calculadora que incorpora Microwave Office. visualización en los diferentes diagramas facilitan nuestro Además el software Mathematica que nos ayuda en los entendimiento sobre los resultados esperados. cálculos necesarios, y luego de emplear las ecuaciones Otra de las características de este software es el hecho de que podemos ir variando manualmente los parámetros característicos de las microcintas e ir visualizando los resultados, hasta obtener una respuesta óptima, que se acople a nuestros requerimientos.

mencionadas en el inicio obtenemos parámetros como la constate de permitividad del dieléctrico. Implementado dichas características en la plataforma de simulación, obtenemos los siguientes resultados, sobre los puertos que caracterizan a este circuito:

En el diseño de los elementos pasivos de microondas que nos hemos propuesto llevar a cabo, usamos los siguientes parámetros: Frecuencia de operación: 2.4 GHz Impedancias de entrada y salida: 50 Ohm A.

Híbrido de cuadratura

Este es un elemento con características de divisor de potencia, y las de un acoplador direccional, conocido también como “rat race”. Este acoplador presenta cuatro puertos con una impedancia característica de 50 ohm con un desfase de 90º entre los puertos de salida y el de entrada. Las características de este elemento se muestran a continuación, en donde también se indica la matriz de dispersión que identifica a este elemento:

Fig7. Resultados hibrido de cuadratura

RADIOCOMUNICACIONES Página 7

> ELEMENTOS PASIVOS DE MICROONDAS<

Fig8. Circuito microstrip de Microwave Office

Luego de la simulación y de estar conformes con los resultados procedemos a la implementación de esta microcinta, y para obtener resultados precisos realizamos el diseño con las dimensiones exactas en Autocad y para tener una idea de cómo debería quedar nuestro diseño final, partiendo del diseño propuesto en Autocad, usamos Rhinoceros para obtener un imagen en 3D con características de renderizado precisas.

Para la implementación de dicho complemento, hacemos uso de fibra de vidrio, y nuestro diseño final quedaría de la siguiente manera.

Fig. Hibrido implementado

B. Hibrido en anillo El acoplador en anillo, igualmente es un componente usado para obtener dos señales de la misma potencia y un desfase de 180º, tiene características de divisor balanceado, y en función de sus características de diseño procedemos a realizar sus simulación con el siguiente esquemático que se muestra a continuación, previo a su desarrollo en una placa PCB para la comprobación de resultados: Fig9. Resultados hibrido de cuadratura CAD Resultados:

RADIOCOMUNICACIONES Página 8

> ELEMENTOS PASIVOS DE MICROONDAS<

Fig11. Circuito microstrip para anillo de Microwave Office DB(|S[1,3]|) hibrido

DB(|S[1,2]|) hibrido

C. Filtro pasa banda

DB(|S[4,1]|) hibrido

Respuesta

0

El diseño de filtros en microondas se remite a la teoría de circuitos, para obtener valores de elementos característicos, como son los inductores y capacitores, obteniendo una respuesta adecuada, para posterior a ello realizar aproximaciones de impedancia para obtener una acercamiento al comportamiento de dichos elementos y con ello conformar un filtro que no brinde las características adecuadas a nuestros requerimientos.

-10 -20 -30 -40 -50 -60 1

2

3

4

Frequency (GHz)

Fig12. Resultados acoplador de anillo

Como ya se ha dicho, el objetivo es la elaboración de un filtro cuya respuesta sea pasa banda, haremos uso de stubs radiales que nos proporciones un gran ancho de banda, además de las líneas que nos permitirán obtener una aproximación de los elementos que conforman el filtro.

La implementación de este acoplador sobre el PCB, usando como sustrato la fibra de vidrio tiene el siguiente resultado:

Fig13. Implementación acoplador de anillo

Fig14. Resultados Filtro pasa Banda

RADIOCOMUNICACIONES Página 9

> ELEMENTOS PASIVOS DE MICROONDAS< El esquemático se muestra a continuación:

Fig15. Circuito microstrip filtro La placa final, con la implementación debida se muestra a continuación:

hemos hecho uso de Autocad y Rhinoceros, con resultados altamente favorables.  Se debe tomar en cuenta todas las normas de diseño para líneas de microcinta, para no tener resultados erróneos en todas las etapas que implica el diseño del elemento pasivo que deseemos. REFERENCIAS

Fig16. Implementación filtro pasa banda IV. CONCLUSIONES.

 En esta informe se ha descrito brevemente los rasgos concernientes al el diseño, simulación e implementación de circuitos pasivos de microondas como la iniciación al diseño de sistemas de alta frecuencia.  El diseño asistido por computadora, nos facilita la obtención de resultados esperados para la simulación y fabricación de elementos que respondan a altas frecuencias.  En el diseño de filtros para microondas, se realiza primero una aproximación con elementos concentrados, de resistencias, inductores y condensadores, para posteriormente obtener una respuesta en frecuencia deseada, y proceder a una aproximación mediante transformaciones adecuadas de impedancias equivalentes a los elementos antes mencionados, y comparar la respuesta obtenida a la que se debería tener, respuesta óptima.  En la implementación real de los circuitos pasivos de microondas, es necesario tomar en cuenta que las dimensiones obtenidas en etapa de diseño, deben ser lo más cercanas posibles, para de esta manera obtener resultados verídicos que concuerdan con los esperados, para ello se recomienda hacer uso de software dedicados al dibujo técnico, en este caso

[1] RUEDA H. JOSE ABEL, “Algoritmo para el análisis de circuitos de microcinta empleando el método de momentos”, Instituto Politécnico Nacional. Oct 1997. [2] Pozar M. David ―Microwave Engineering”, 3nd. ed., Wiley, NJ, pp. 143-145, 2007. [3] Microodas. Disponible en: http://www.scrib.com. [4] E.H. FOOKS ―Microwave Engineering using Microstrip Circuits”, 3nd. ed., Prectice Hall, NJ, pp. 143-145, 2007. [5] www.edaboard.com [6] Matthew M. Radmanesh ‖RF & Microwave Design Essentials: Engineering Design and Analysis from DC·

RADIOCOMUNICACIONES > ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS<

Página 10

DISEÑO, SIMULACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE ELEMENTOS ACTIVOS PARA MICROONDAS *Francisco Hidalgo; Ing. Marco Morocho+ [email protected] [email protected] Resumen—El presente trabajo describe el diseño, simulación e implementación de tres elementos activos para wireless: hibrido de cuadratura, divisor de potencia y filtro, cada uno de los cuales está diseñado en microcinta sobre un sustrato de fibra de vidrio para la frecuencia de 2.4GHz.

divisor de potencia capaz de dividir la potencia que incide por la puerta de entrada en N fracciones que saldrán por las puertas de salida, proporcionando un aislamiento entre estas puertas. El principal distintivo del divisor Wilkinson es el uso de resistencias conectadas entre las puertas de salida.

Índice de Términos—Matriz de dispersión,, sustrato.

U

I.

INTRODUCCIÓN

n hibrido de cuadratura o hibrido branch-line es un circuito plano de 4 puertos, cuya característica principal es dividir la señal de entrada(puerto 1) en dos partes iguales con una fase de 90º y 3dB menos de potencia(puerto 2 y 3) además de mantener aisladas a sus dos entradas como a sus dos salidas respectivamente.

Fig2. Divisor Wilkinson. Tomado de: http:// www.rfcafe.com Y finalmente un filtro pasa banda es un circuito plano de dos puertos, cuya característica principal es permitir el paso de la señal de entrada (puerto 1), que tenga una frecuencia similar a la de resonancia, al mismo tiempo que rechaza las señales con frecuencias diferentes

Fig1. Híbrido de cuadratura. Tomado de: http:// www.rfcafe.com Los 4 puertos que se pueden observar en la figura1 poseen una impedancia igual a Zo (impedancia característica) es decir 50Ω, mientras que las líneas más robustas poseen una impedancia de Zo/(2)1/2 .

Luego de haber hecho una breve descripción de los elementos que se va a diseñar vamos a señalar los puntos que se han utilizado para su diseño, los cuales forman parte de las secciones de este paper. Cálculos Diseño Simulación Implementación

II.

Éste hibrido es simétrico por lo que sus puertos de entrada (1 ó 4) pueden ser usados como puertos de salida (2 ó 3) sin tener cambio alguno en su modo de operación. Un divisor de potencia es una red que permite el reparto de potencia de la señal incidente en una de sus puertas entre el resto siguiendo una determinada proporción. Según la teoría de microondas, una red de tres puertas pasiva, recíproca y sin pérdidas no puede estar completamente adaptada. En un divisor con líneas además las puertas de salida no están aisladas entre si. Wilkinson desarrolló un

PARÁMETROS DE DISEÑO

Antes de calcular el ancho y largo de las microcintas primero debemos escoger el sustrato con el cual se va a trabajar, existen en el mercado una gran variedad de éstos materiales como berilio, teflón polietileno, parafina, fibra de vidrio, etc.(Ver tabla 1), como se indico en la sección anterior nuestro hibrido se ha diseñado en fibra de vidrio, al definir el tipo de sustrato obtenemos dos parámetros clave para el calculo de las microcintas, éstos son el Ɛr y d (Permitividad relativa y grosor).

RADIOCOMUNICACIONES Página 11

> ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS<

Fig8. Esquema del filtro Utilizando los parámetros de la matriz de dispersión para evaluar el comportamiento del las salidas con respecto a la entrada [PORT 1] se obtuvo los resultados mostrados en la figura 9.

Fig11. Divisor de potencia a 2.4GHz en Fibra de vidrio Filtro pasa banda:

Fig12. Filtro pasa banda a 2.4GHz en Fibra de vidrio Fig9. Resultados del filtro V.

IMPLEMENTACIÓN

A continuación se muestra cada una de las placas de los dispositivos implementadas: Híbrido de cuadratura:

VI.

CONCLUSIONES

 En el híbrido el puerto 4 se encuentra aislado por tener un desfase de 180 grados.  Para implementaciones se requiere de sustratos que soporten altas frecuencias. Si se sitúa en cada puerta de este híbrido dos secciones de adaptación de longitud λ/4 en cascada, la respuesta del híbrido resultante presenta un mínimo de reflexión y un máximo de aislamiento.

Fig10. Hibrido de cuadratura a 2.4GHz en Fibra de vidrio Divisor de potencia:

 Se debe poner un especial énfasis en las dimensiones de los dispositivos ya que pueden llegarse a obtener resultados muy buenos para cada uno de los elementos pero, las dimensiones de los mismos pueden ser físicamente difíciles de implementar.

RADIOCOMUNICACIONES > ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS<

Página 12 CÁLCULOS

A. Híbrido de cuadratura Como el sustrato a utilizarse es la fibra de vidrio entonces se tiene que el valor de Ɛr =4,4 y d=1.5mm, se procede a calcular la relación W/d para determinar el ancho de la microcinta se utiliza la ecuación [1] para determinar la constante B y posteriormente se utiliza la ecuación [2]: Fig3. Línea de transmisión microcinta. Tomado de: http:// www.rfcafe.com Los conectores que se utilizan para este tipo de trabajos son los BNC o SMA de montaje para placa. Un hibrido branch-line está compuesto de 8 microcintas, 6 de las cuales tienen la misma impedancia (Zo) y las dos restantes poseen una diferente (Zo/(2)1/2) lo cual las hace diferir en ancho mientras que la longitud de las 4 microcintas centrales está determinada por λ/4 (Figura 1) y las de salida de acuerdo a los cálculos de Ɛe (ecuación). Un divisor de potencia esta compuesto de 7 segmentos de microcinta, las cuales tienen diferente impedancia, lo cual las hace diferir en ancho y largo de la microcinta. Para realizar un cálculo menos tedioso de las dimensiones de las microcintas, se ha optado por utilizar la calculadora de MWO. El filtro desarrollado está compuesto por once tramos de líneas microcinta, las cuales tienen diferente impedancia, lo cual las hace diferir en ancho y largo de la microcinta. Igualmente se ha optado por utilizar la calculadora de MWO para determinar cada una de las dimensiones de las microcintas. El cálculo óptimo del ancho y largo de la microcinta evitara el desbalance entre las salidas tanto en la amplitud como en fase. Tabla 1. Constantes dieléctricas de algunos materiales

B

377

[1]

2Z 0  r

W 2   1  0.61    B  1  ln(..2B  1)  r ln(..B  1)  0.39    [2] d  2 r   r  Hay que recalcar que es necesario calcular dos constantes B; la primera con la impedancia Zo=50Ω y la segunda con impedancia Zo=Zo/1.414. Luego de obtener el ancho se calcula la longitud de las cintas, para lo cual se utiliza ecuación [3]:

l

90 0 ( 180 0 )

 e k0

[3]

Pero para el cálculo se requiere de dos valores k o y Ɛe, para encontrar estas variables se hace uso de las ecuaciones [4] y [5]:

e 

 r 1  r 1 2



2

k0 

1

*

1  12 d W

2f c

[4]

[5]

Una vez realizados los cálculos se obtienen los siguientes datos: Tabla2. Valores de elementos para el diseño del híbrido de cuadratura

Material

r

Aluminio(99.5%

9.5-10

Valores

2.4GHz

Berilio

6.4

Ceramica

5.60

Vidrio(Pirex)

4.82

W1(mm) W2(mm) L1(mm) L2(mm)

2.8697 4.8177 17.11 14.65

Fibra de vidrio

4.4

Parafina

2.24

Polietileno

2.25

Silicon

11.9

Teflón

2.08

B. Divisor de potencia Si se quiere que la potencia que incide en la puerta 1, P1, se divida de modo que P3 = K2·P2, siendo P3 y P2 las potencias que salen por las puertas 3 y 2, respectivamente se ha de cumplir que:

RADIOCOMUNICACIONES > ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS<

Z 03  Z O

Página 13 [14]

1 K 2 K3

[6]

Gk  g k Zo

De donde se obtiene:

Z 02  KZ 03  Z 0 K (1  K 2 )

[7]

Lk 

1 [8] R  Z O ( K  ) K

Gk c

[15]

Mientras que las admitancias se las calcula mediante la siguiente ecuación: Además las resistencias de carga para el puerto de entrada y el puerto de salida deben cumplir la siguiente condición: gk [16]

R1  Z O

Gk 

[9]

[10] R2  Z O K [11] R3  Z O / K

De donde se obtiene:

Del resultado de aplicar estas fórmulas y utilizando la calculadora de MWO se obtiene los siguientes datos: Tabla3. Valores de elementos para el diseño del divisor

Z 03

Z 02

Z0

Impedancia

51,49Ω

102,98Ω

50Ω

W(mm)

2,8038

0,61657

2,9456

L(mm)

16,897

17,809

16,858

Filtro

Para obtener los valores de los elementos para un filtro Butterworth, tenemos la siguiente ecuación:

 (2k  1)  gk  2sen   2n 

Ck G k  c

[17]

Después de estas respectivas transformaciones tenemos como resultados los siguientes valores: Tabla4. Valores de elementos para el diseño del filtro

Valores

C.

Zo

[12]

De donde k=1, 2,3….n

Elemento Activo L1

Valor 46.32 H

C2

0.03906 F

L3

49.32 H

C4

0.04207 F

L5

51.24 H

C6

0.04609 F

L7

53.65 H

C8

0.05312 F

L9

57.36 H

C10

0.05634 F

De esta ecuación sale la tabla 4, como forma de resumir y Utilizando el software Microwave Office simulamos los revisar los valores de los elementos más rápidamente se ha tres elementos diseñados utilizando microcintas con los procedido a resumirlos hasta n=10, debido principalmente a parámetros calculados. El circuito general de el hibrido es el que se va a implementar 10 etapas para el filtro. de la Figura 4. Ahora se procede a realizar el cálculo de la constante Ωe, mediante la siguiente ecuación: [13]

 f  c  tan c   1.45  2 fr 

Esta constante es de gran importancia ya que sirve para realizar el cálculo de las inductancias. Se las calcula mediante las siguientes ecuaciones:

IV.

SIMULACIÓN

Utilizando los parámetros de la matriz de dispersión para evaluar el comportamiento del las salidas con respecto a la entrada [PORT1] se obtuvo los resultados mostrados en la figura 5.

RADIOCOMUNICACIONES > ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS<

Página 14

Fig4. Esquema de híbrido de cuadratura

Fig5. Resultados del Hibrido de cuadratura

El circuito general del divisor de potencia es el de la to a la entrada [PORT 1] se obtuvo los resultados mostraFig6. dos en la figura 7. Utilizando los parámetros de la matriz de dispersión para evaluar el comportamiento del las salidas con respec-

RADIOCOMUNICACIONES > ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS<

Fig6. Esquema del divisor de potencia

Fig7. Resultados del divisor de potencia El circuito general del divisor de potencia es el de la Figura 8.

Página 15

RADIOCOMUNICACIONES > ELEMENTOS ACTIVOS DE MICROONDAS< REFERENCIAS

[1] Pozar David, ―Microwaves Engineering 2ª editon‖, Editorial Wiley, pp. 160-164, 363-364 y 379 -382. [2] www.taconic-add.com/pdf/rf35.pdf [3] www.rfcafe.com [4] www.fnrf.science.cmu.ac.th/theory/rf/Scattering% 20parameters.html [5] www.pue.udlap.mx/~tesis/lem/loranca_r_ya/cap itulo2.pdf

Página 16

RADIOCOMUNICACIONES > DISEÑO DE ANTENAS<

Página 17

ANÁLISIS Y DISEÑO DE UNA ANTENA YAGI *Pablo Bastidas, Jasmine Chuncho, Roddy Correa, Alexandra Erreyes, Vanessa Poma [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Ing. Marco V. Morocho Y.+

[email protected] Resumen—En el presente documento se proporciona información acerca del análisis y diseño de una antena Yagi y la comparación entre los software Puma-Em (paralelo unificado multipolo algoritmo para electromagnética) y FEKO.

A. Elementos de una antena yagi

Abstract—Presently document is provided information about the analysis and design of an antenna Yagi and the comparison among the software Puma-Em (parallel unified multipolo algorithm for electromagnetic) and FEKO. Índice de Términos—FEKO, Puma-Em, Linux, Gmsh, matplotlib, Antena Yagi.

E

I.

INTRODUCCIÓN

l uso de los programas de simulación permite obtener resultados preliminares de la distribución de campo y corriente sin tener que fabricar prototipos. Esto es muy conveniente en la parte conceptual de los diseños ya que las estructuras de antenas se pueden diseñar usando una interfaz grafica o el uso de código. La metodología de simulación para estos diseños es el método de momentos (mallas de elementos finitos Los desarrollos analíticos permiten entender mejor el comportamiento físico de las antenas, especialmente cuando éstas tienen formas complejas que requieren de altos tiempos de cálculo. En este paper se ha desarrollo una completa formulación para el análisis de la antena yagi. II. ANTENA YAGI La antena Yagi es una antena direccional, es decir, a diferencia de las antenas omnidireccional es una antena capaz de concentrar la mayor parte de la energía radiada1 de manera localizada, aumentando así la potencia emitida hacia el receptor o desde la fuente deseados y evitando interferencias introducidas por fuentes no deseadas). Las antenas Yagi, proporcionan un mejor rendimiento que la antena de dipolo 2 cuando se desea concentrar gran parte de radiación en una dirección deseada. 1

Energía radiada: Suma de las emisiones en todos los rangos de frecuencia

Fig1. Esquema de una antena Yagi simple [1] Elemento conductor: es el elemento que capta o emite las señales. Reflectores: reflejan las ondas en la dirección del elemento conductor, con lo que reduce la señal que está en su dirección e incrementa la que está en dirección opuesta. Directores: son elementos parásitos (elementos inactivos), que hacen que la onda siga el camino correcto hasta llegar al elemento conductor. B. Campos electromagnéticos. Cuando se aplica corriente eléctrica directa (cd) a un alambre (conductor), el flujo de corriente o el movimiento de cargas eléctricas, crea un campo electromagnético (que es un tipo de energía como: luz solar, luz ultravioleta, rayos x , ondas de radio, entre otros.) alrededor del alambre, propagando una onda en las tres dimensiones hacia el exterior de este conductor.

2

Dipolo: es una antena con alimentación central empleada para recibir o transmitir ondas de radio frecuencia

RADIOCOMUNICACIONES > DISEÑO DE ANTENAS< III.

SOFTWARE

A. Puma-EM El objetivo de Puma-EM es resolver ecuaciones integrales de superficie que se plantean en computación electromagnética, mediante el uso de métodos de elementos de frontera, como el método de momentos. El método se ve reforzada por el uso de el método rápido multinivel multipolares que es un solucionador de ecuación integral rápido lo que agiliza la matriz-vector multiplicación exigida por el algoritmo iterativo. Para instalar Puma-Em se necesita los siguientes requerimientos: Hardware: memoria, procesador 32 bits, almacenamiento Software: Linux CentOS (The Community Enterprise Operating System) 5.23 Las librerías utilizadas son: 

python-devel-2.4.3-24



gcc-c++ - 4.1.2-44



libgfortran-4.1.2-44



gcc-gfortran-4.1.2-44



Libstdc++-devel-4.1.2-44



compat-gcc-34-g77-3.4.6-4



compat-libstdc++-33-3.2.3-61



mesa-libGLU-6.5.1-7.7

Antes de ejecutar Puma-EM, hay una serie de bibliotecas / programas que necesitan ser instalados. Todas estas bibliotecas / programas son liberados bajo licencias de código abierto. Antes de la compilación de ellos, en primer lugar mirar si es que existe como un paquete para su distribución.

Página 18 de malla generador con built-in pre-y post-procesamiento de las instalaciones. Su objetivo es el diseño para proporcionar un simple instrumento de mallado con problemas académicos paramétrico de entrada y capacidades de visualización avanzada. Gmsh se articula en torno a cuatro módulos: la geometría, la malla, y solucionador post-procesamiento. Gmsh se utilizará para la generación de los triángulos que Puma-EM utiliza para los cálculos. Para más información acerca de esta plataforma puede consultar a http://www.mesa3d.org. Para Instalar los binarios, la forma más fácil es descargando el más reciente paquete binario disponible en http:// www.geuz.org/gmsh/bin/Linux/gmsh-2.3.1-Linux.tgz., luego extraer y copiar el "gmsh" en el ejecutable "/ usr / bin" o "/ usr / local / bin" directorio de la máquina. La forma de correr el programa es sencilla una vez instalado el programa, pues se lo deberá ejecutar desde la terminal con el comando ―Gmsh‖.

Fig2. Interfaz grafica Gmsh. A continuación algunas capturas de pantalla de lo que es capaz de realizar esta librería.

Fig3 [3]

Fig.4 [4]

B. Gmsh-2.3.1 Gmsh 3D es un sistema automático del generador de mallas de elementos finitos con construir-en pre - y después de las instalaciones de procesamiento. Gmsh es automático tridimensional de elementos finitos 3

CentOS 5.2: Es un clon a nivel binario de Red Hat Enterprise Linux. esta distribución esta armada directamente desde las fuentes liberadas de Red Hat.

Fig.5 [5] IV.

COMPILADORES

A. gcc DISEÑO DE ANTENAS< Puma-EM utiliza g + + y g77 compiladores. No funciona con los compiladores Intel.

Página 19  

B. g + +- 4.1.2 Puede ser instalado a través del gestor de paquetes. C. g77 -4.1.2 Sobre OpenSUSE y Fedora / RedHat, busque "compatg77" e instalar los archivos relacionados. D. Blitz++ -0.9 C + + rápido gama biblioteca, proporcionando cerca de las actuaciones de fortran. Usted tiene que compilar la biblioteca. En primer lugar, vaya descargar la fuente, disponible en http://www.oonumerics.org/blitz/ luego, ejecute los comandos:   

[yo @ machine0: ~] $. / configure [yo @ machine0: ~] $ make libs [yo @ machine0: ~] $ su - c ‗make install‘.

El comando de instalación debe hacerse como root. E. Python-2.4.3-24 El intérprete de Python (disponible en http:// www.python.org/, instalado por defecto en muchas distribuciones de Linux F. NumPy-1.2.0-1.2 y SciPy-0.6.0-2.1 Son bibliotecas científicas para python, que permite el uso eficiente de matrices en python ambos disponibles en http://www.scipy.org/. Scipy tiene que ser compilado sobre Numpy para la instalación ejecute los comandos:  [root @ localhost: ~] $ python setup.py build  [root @ localhost: ~] $ su –c ‗python setup.py install‘ G. Matplotlib-0-91.2-1 Matplotlib es una biblioteca para la generación de gráficos a partir de datos contenidos en listas o arrays en el lenguaje de programación Python y su extensión matemática NumPy. Proporciona una API, pylab, diseñada para recordar a la de MATLAB [6]. Comando de instalación:

[root @ localhost: ~] $ python setup.py build [root @ localhost: ~] $ su –c ‗python setup.py install

H. mpi4py-1.0.0 MPI para Python (mpi4py) proporciona enlaces de la Message Passing Interface (MPI) para el lenguaje de programación Python, permitiendo que cualquier programa de Python pueda aprovechar múltiples procesadores [7]. Comandos para la ejecución:  

[root @ localhost: ~] $ python setup.py build [root @ localhost: ~] $ su –c ‗python setup.py install‘

I. Open-mpi-1.2.5-5 MPI es una API normalizada usan típicamente para paralelo y / o computación distribuida. MPI significa la Message Passing Interface. Escrito por el MPI Forum (un gran comité de una sección transversal entre los representantes de la industria y la investigación). Para la instalación ejecute el siguiente comando:  

[root @ localhost: ~] $. / configure [root @ localhost: ~] $ su –c ‗make install‘ V.

FEKO

FEKO es un software que pueden solucionar una amplia gama de problemas electromagnéticos, se encuentra basado en el Método de Momentos (MoM) para obtener los parámetros de entrada y radiación de las antenas. Permite simular un sin número de estructuras de antenas y de igual forma evaluar la distribución de campo y corriente. Estas estructuras se pueden diseñar tanto en interfaz gráfica como por medio de código. Permite procesamiento en paralelo; es un programa muy completo para estos fines. En la interfaz de usuario encontramos el cadfeko y postfeko. A. Cadfeko  Crear geometría CAD canónica utilizando estructuras y realizar operaciones sobre los booleanos.  Importar y modificar los modelos CAD de malla y geometrías.

RADIOCOMUNICACIONES > DISEÑO DE ANTENAS<  Crear la malla de superficie y volumen mallas.  Establecer parámetros del material por ejemplo, constante dieléctrica, revestimiento, conductividad.  Establecer excitaciones conjunto y los parámetros de la solución como: la frecuencia, la carga.  Establecer parámetros de cálculo del campo.

Página 20         

Frecuencia de muestreo adaptativo No red de análisis de emisión. Optimización. Fuera del núcleo de soluciones. Procesamiento paralelo. Opciones de simetría. Cable de acoplamiento simple análisis. Análisis de dominio de tiempo. Condiciones periódico frontera.

 Establecer los parámetros de optimización de fun- VI. DIFERENCIAS Y SEMEJANZAS ENTRE LAS HERRAMIENTAS DE FEKO Y PUMA-EM ciones objetivo y crear por ejemplo, la optimización de enjambre de partículas impedancia de entrada. Las diferencias que existen entre las herramientas de simulación de Feko y Puma-em son las siguientes: B. Postfeko  POSTFEKO soporta múltiples puntos de vista con múltiples geometrías.

Feko utiliza las siguientes herramientas:

»

CAD.- Interfaz grafica, ( interactivo de geometría y mallado) EDIT.- Solución de control.

»

POST FEKO.- Procesamiento de datos.

»

Puma-Em utiliza la siguiente herramienta:

»

GMSH.- es una red de elementos finitos y postprocesador, se articula en torno a cuatro módulos:

»

 Presentación de resultados en 2D y 3D  Exportar a formatos populares de la imagen de las imágenes y animaciones.  Avanzada tasa de absorción específica (SAR) de visualización.  UTD de rayos de colores indican su relativa amplitud.  Superficie eléctrica y las corrientes de densidad de carga eléctrica. C. Métodos que utiliza  Se basa en el Método de Momentos (MOM) y fue el primer código de comercio para utilizar los múltiples niveles multipolo método rápido (MLFMM) para la solución de los grandes problemas de la electricidad.  En FEKO, la principal es la hibridación con las siguientes técnicas de solución:- Método de Elementos Finitos (FEM) - Óptica Física (PO) - Óptica Geométrica (GO) - Teoría de la difracción uniforme (UTD) Esta hibridación implica que estas técnicas de solución se pueden aplicar a diferentes partes de un mismo modelo de solución para optimizar el tiempo y los resultados. D. Características computacionales

1. Geometría. 2. Malla. 3. Solucionador. 4. post procesamiento. A. Ejemplo. Para evaluar se hizo un diseño en FEKO tomado de la primera revista en corto circuito de la UTPL, los datos son los siguientes: Modelo.- Diseño de una antena Yagi-Uda para la frecuencia de la operación del canal uno en la ciudad de Loja. Valores a utilizar en el diseño de la antena luego de reemplazar los valores de la frecuencia y longitud de onda: Cuadro N° 1.

RADIOCOMUNICACIONES > DISEÑO DE ANTENAS< Elemento

Longitud(m)

Página 21 Separación con el elemento anterior (cm)

Reflector

0.275

-

Dipolo

0.261

8.81

1° Director

0.253

5.50

2° Director

0.238

5.50

3° Director

0.230

8.26

4° Director

0.220

11.01

Impedancia: 75 Ohmios. Frecuencia: 545 MHz Intervalo a evaluar: 520-580Mhz

Fig7. Diagramas de radiación a) 520MHz b) 545 MHz c) 580MHz

Fig8. Diagramas de campo en las frecuencias de: a) 520MHz b) 555MHz c) 570MHz c) 580 MHz También podemos sacar los gráficos de corriente, impedancia, ganancia, potencia, etc. Fig6. Gráfico de distribución de corriente.

VII.

DISEÑO DE LA ANTENA EN EL CADFEKO

Luego de haber diseñado la antena, se envía a ejecutar los datos, y luego en el postfeko se pueda mostrar: Como se le dio un intervalo de frecuencia, se puede ver la radiación par cada frecuencia, y así comparar con tres frecuencias puntuales: Diagramas de máxima ganancia en una frecuencia de: » 520 MHz » 545MHz » 580MHz

Fig9. Gráficos de corriente, impedancia, ganancia y potencia respectivamente

RADIOCOMUNICACIONES > DISEÑO DE ANTENAS< VIII.

CONCLUSIONES

» El software Puma-Em en comparación con Feko es mejor para el análisis de campos electromagnéticos.

Página 22 [9] www.geuz.org/gmsh/doc/texinfo/gmsh.html (Información) [10] www.geuz.org/gmsh/screencasts/tutorialdemanejo

» Las comparaciones entre los dos software se puede [11] A.C. Azner, L.J Roca, J.M. Ríos, J.R.Robert, S.Blanh, hacer en base a las herramientas y no entre los elemenM.F. Batallar. Antenas. 2da edición. Alfaomega, Méxitos de análisis de la antena. co, 2004. » Para la visualización del diseño de la antena en el Puma- [12] W.L. Weeks. Antenna Engineering. McGraw- Hill, Em es necesario abrir un software aparte que es el Nueva York, 1968. GMSH. [13] M.L. Borrows, Elf. Comunications Antennas, Peter Peregrinus, Londres, 1978. » El diseño de la antena en Feko y Puma-em no es la misma, en el primero se construye por líneas, cilindros, elipses u otras, mientras que el segundo sólo admite [14] KRAUS John D, Fleisch Daniel A. Electromagnetismo con aplicaciones Quinta edición. Parámetros básipuntos y líneas. cos de una antena. » El Puma-Em. sirve para el diseño y análisis electro[15] MILEAF Harry, Limusa Noriega editores, México magnético de antenas y no para antenas de superficies octubre de 1993. Electrónica impedancia de antena, planas como las de microcinta. longitud de antena. IX.

RECOMENDACIONES

[16] MARSHALL Stanley V, DUBROFF Richard E, SKI» Cuando se realiza el diseño de la antena se debe tener TEK Gabriel G. Concepto de ganancia y apertura de muy encuentra las dimensiones de cada elemento que lo haz dipolo elemental. compone puesto que de estos depende mucho el tipo de antena. [17] Revista En Cortocircuito. Edición N°1. 11-07-2009. Escuela de Electrónica Y Telecomunicaciones. UTPL. » Para instalar Puma-Em se recomienda utilizar los scrips de su distribución de linux ya que es más fácil la instalación del mismo. »

Para instalar el Puma-Em se debe seguir un orden instalando primero las librerías que falten, y luego de esto las dependencias. REFERENCIAS

[1] wikipedia.org/wiki/Campo_electromagn%CAtico [2] www.wikipedia.org/wiki/Archivo:Esquema_anten a_yagi.GIF [3] www.geuz.org/gmsh/gallery/bike.png. [4] www.geuz.org/gmsh/gallery/linkrods3Db.png [5] www.geuz.org/gmsh/gallery/pump.png [6] www.wikipedia.org/wiki/Matplotlib [7] www.scipy.org/ [8] www.mesa3d.org. (Manual de instalación)

RADIOCOMUNICACIONES > ACOPLADOR DE IMPEDANCIAS<

Pá

Gamma-Match *Gianella P. Saetama; Ing. Marco V. Morocho+ [email protected] [email protected] Resumen—El presente informe es el resumen del trabajo realizado sobre el acoplador de impedancias para antenas Gamma-Match, mostrando la forma de construcción para una frecuencia de 150.15MHz, y un análisis hecho en base a los experimentos realizados con el acoplador. Índice de Términos— Acoplador, Dipolo, GammaMatch, ROE.

E

I.

(b)

(a) Esquema Fig2. Dipolo simple con adaptador Gamma Match, (b) Representación del Adaptador como capacitor variable [5]

INTRODUCCIÓN

l Gamma-Match es un sistema de adaptación de impedancias asimétrico entre el cable y el elemento excitado, formado por una sección de línea y una capacidad en serie [1].

La variación de impedancia produce al variar la distancia entre el dipolo y el tubo de adaptación; y la relación entre los diámetros de los tubos y del sistema de adaptación. II.

ESTRUCTURA Y FORMA DE CONSTRUCCIÓN

La estructura del Gamma-Match se muestra en la Fig-3, la longitud del acoplador es de 0.1λ .

Fig1. Adaptador Gamma Match [2] Este acoplador de impedancia es el más utilizado por su eficiencia y facilidad de construcción como se puede apreciar en la Fig1, el mismo se lo construye con los mismos materiales que se construye la antena. Su concepto nace del fabricar un condensador variable (Fig2(b)) aprovechando los tubos de aluminio que conforman la antena y las propiedades de capacitancia que presentan los tubos huecos. Al insertarse un tubo dentro del otro, se logran capacidades prácticas para poder acoplar antenas que presentan reactancias inductivas, es decir, se utilizan para cancelar la reactancia que exhibe toda antena y con ello, lograr sintonía a la frecuencia de trabajo y un bajo valor del ROE [2].

Fig3. Dimensiones del dipolo simple y del GammaMatch. Se lo construye con el mismo tubo del cual está hecha la antena (dipolo simple), es decir con un tubo de aluminio de 3/8"; dentro de este tubo que tiene una longitud de se introducirá un pedazo de coaxial RG8 de la misma longitud como se observa en la Fig-4. a) b)

(a)

c) Fig4. (a) Cable coaxial sin forro y malla (b) tubo de aluminio para el Gamma Match (c) tubo de aluminio con el cable coaxial insertado

RADIOCOMUNICACIONES > ACOPLADOR DE IMPEDANCIAS< Como se observa en la Fig-4(a) al cable coaxial se le eliminará el forro y la malla quedando únicamente el forro que protege al conductor central, el forro produce un aislamiento entre el tubo de aluminio y el cable que va soldado al conector previamente fijado en el boom de la antena.

Página 24 La longitud de onda (λ) es (1):

c f



(1)

donde:

El shunt (Fig-5) es la pieza de aluminio que une el elemento excitado (antena) y el Gamma-Match, para poder realizar el análisis del acoplador se variara el tamaño del shunt con el fin de saber cuál es su mejor tamaño en función del ROE. En la parte inferior de la siguiente figura (Fig-4) se puede ver los shunts de diferentes tamaños utilizados.



300  1.998m 150.15 (2)

  2m

(3)

Pero la longitud del dipolo es la longitud de onda menos el 5% dividida para 2, es decir: (4) (5)

Otra forma es utilizar la ecuación (6): (6) Fig5. Shunt de 3-4-5-6 cm y aislante Además en la parte superior de la Fig-4 se puede ver el aislante, que sirve sólo para ayudar a sostener y mantener fijo el Gamma-Match; este debe ser de la misma longitud del shunt.

(7)

IV.

CÁLCULOS DEL GAMMA-MATCH

La longitud l del Gamma-Match, es del 10% de la longitud de onda [3], expresada en la ecuación (8):

El efecto de capacitor variable que se desea para acoplar la antena, se lo obtiene al variar la posición del shunt hasta encontrar su posición optima, es decir el punto en el cual el valor del ROE es lo más cercano a 1. Todo el sistema del Gamma-Match se lo puede apreciar en la Fig-6.

l  10 * 

(8)

l  0.1 *1.90 m (9)

l  19cm V.

CÁLCULOS DE LA LÍNEA DE TRANSMISIÓN

Para la línea de transmisión se utilizo el cable coaxial RG -58 y su factor de velocidad es 0.66, entonces:

Vp 

r 

1 r

(10)

1 0.66 (11)

r  2.29

(12)

Fig6. Gamma-Match Una vez obtenido el valor de Єr en (12), podemos calcular la longitud de onda (lambda) en el medio utilizando la Como ya se menciono anteriormente la frecuencia de siguiente ecuación: trabajo establecida es de 150 MHz en base a esta frecuencia    o (13) se calcula la longitud del dipolo: III.

CÁLCULOS DEL DIPOLO SIMPLE

r

RADIOCOMUNICACIONES > ACOPLADOR DE IMPEDANCIAS<

0  1.998m



(14)

1.998m

2.29   1.31m VI.

Página 25

Tabla 2: Medición del ROE con Shunt de 4cm (15)

CÁLCULOS DEL DIRECTOR

I D  0.45

(16)`

I D  0.45(190cm)

I D  85.5cm (17) VII.

GRÁFICAS Y TABLAS DE LAS MEDICIONES

A. ROE con Shunt de 3 cm (Tabla1) Tabla 1: Medición del ROE con Shunt de 3cm Distancia ( cm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

1ra Medición 9,1 8,4 5,7 5,6 5,5 5,4 3,9 3,5 2,8 2,7 2,1 2,6 2,8 3,7 4,7 4,7 4,8 4,9 5

B. ROE con Shunt de 4 cm

ROE 2da Medición 8,8 8,2 7,8 6,9 6 5,2 4 3,7 2,4 2,3 2,3 1,8 2,5 3,8 4,6 4,9 4,8 4,9 4,8

3ra Medición 8,7 8,2 7,8 4,4 4,1 3,5 3,5 2,9 2,6 2,5 2,2 2,2 2,7 3,7 4,8 4,8 4,8 4,9 5

Distancia cm.

1ra Medición

ROE 2da Medición

1

6,1

7,3

7,7

2

4,9

7,2

7,2

3

4,7

6,1

5,3

4

4,5

4,6

4,2

5

4,3

4

3,5

6

4,2

3,4

2,9

7

3,3

2,6

2,3

8

2,8

1,9

2,2

9

2,5

1,7

2,1

10

2

2,3

2,2

11

2,3

2,5

2,5

12

3,3

2,5

2,7

13

4,1

2,6

3

14

4,3

2,8

3,2

15

4,3

2,8

3,2

Fig8. Gráfica de la Tabla 2 C. ROE con Shunt de 5cm

Fig7.Gráfica de la Tabla 1

3ra Medición

RADIOCOMUNICACIONES > ACOPLADOR DE IMPEDANCIAS<

Página 26

Tabla 3: Medición del ROE con Shunt de 5cm Distancia cm. 1 2

1ra Medición 5,5 5,4

ROE 2da Medición 5,7 5,7

3ra Medición 6,9 6,7

3

5,1

5,5

6,6

4

4,8

5,5

5,2

5

4,7

5,2

4,3

6

4,5

5,2

3,9

7

4,5

4,8

3,7

8

4,4

4,8

3,5

9

4,4

4,8

3,3

10

4,3

4,5

3,3

11

4,2

4,2

3,2

12

4,2

3,9

3,2

13

3,7

3,7

2,7

14

3,6

3,7

2,1

15 16

1,4 3,9

2,2 1,7

1,8 3,9

17

4,1

3,4

4,5

18 19

4,3 4,3

4,8 4,8

4,7 5,3

Tabla 4: Medición del ROE con Shunt de 6cm Distancia cm. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

1ra Medición 4,9 4,9 4,7 4,3 4,3 3,9 3,3 2,1 1,6 2,3 2,6 3,5 4,1 4,3 4,3 4,4 4,7 5,7 5,9

ROE 2da Medición 6,1 5,7 5,2 4,3 4 2,7 2,6 2,6 1,9 1,8 2,5 2,5 2,6 2,7 2,8 3,1 3,4 3,9 4,1

3ra Medición

Fig10. Gráfica de la Tabla 4

Fig9. Gráfica de la Tabla 3 D. ROE con Shunt de 6 cm

E. Dipolo con director

5,3 5,2 4,7 4,3 3,5 3,2 2,4 2,4 2,1 1,5 2,5 2,9 3 3,1 3,2 3,5 3,8 4 4,7

RADIOCOMUNICACIONES > ACOPLADOR DE IMPEDANCIAS<

Página 27

Tabla 5: Medición del ROE en la antena con directo Separación del Director cm

ROE

Tabla 6: Tabla de valores promedio a diferentes distancias del Shunt

1,5

8,86

7,03

6,03

5,43

1,5

2

8,26

6,43

5,93

5,26

1,3 2,5

3 4 5

7,1 5,63 5,2

5,36 4,43 3,93

5,73 5,16 4,73

4,86 4,3 3,93

2,2

6

4,7

3,5

4,53

3,26

7

3,8

2,73

4,33

2,76

8

3,36

2,3

4,23

2,36

9

2,6

2,1

4,16

1,86

10

2,5

2,16

4,03

1,86

11

2,2

2,43

3,86

2,53

12

2,2

2,83

3,76

2,96

13

2,66

3,23

3,36

3,23

14

3,73

3,43

3,13

3,36

15 16

4,7 4,8

3,43 3,56

1,8 3,16

3,43 3,66

17

4,8

3,96

4

3,96

18

4,9

4,23

4,6

4,53

19

4,93

4,9

4,8

4,9

1,4

1,6

2,5 2,0 2,9 3,5 2,9 2,9 3,5 3,6 3,6

3cm

ROE PROMEDIO 4 cm 5cm

Distancia cm 1

6cm

Fig11. Gráfica de la Tabla 5 VIII. PROMEDIO DE LOS DATOS

A. Shunt de 3, 4, 5 y 6cm (Promedio) Fig12. Gráfica de la Tabla 6 B. Valores Promedio del ROE (Roe en función de la longitud del Shunt)

Tabla 7: Medición del ROE en la antena con director

RADIOCOMUNICACIONES > ACOPLADOR DE IMPEDANCIAS<

Página 28 Si el shunt es de 6cm la mejor posición para colocar el shunt a lo largo del tubo del acoplador Gamma-Match es a 7.89%λ. Los valores del ROE más bajos medidos con cada uno de los diferentes tamaños del shunt se muestra en la siguiente tabla (Tabla 8), estos valores han sido tomados de las tablas 1 hasta la 4:

3cm shunt

Fig11. Gráfica de la Tabla 7 IX. ANÁLISIS DE LOS DATOS OBTENIDOS En base a los datos de las tablas expuestas anteriormente se pudo realizar el siguiente análisis partiendo de que:

VALORES MAS BAJOS DEL ROE 1,8

4cm shunt

1,7

5cm shunt

1,4

6cm shunt

1,5

Tabla 8: Valores más bajos de ROE tomados a las diferentes distancias del shunt

Entonces, tomando como punto de referencia u origen el punto de alimentación de la antena: SHUNT 3cm (Tabla 1)

Si el shunt es de 3cm la mejor posición para colocar el shunt a lo largo del tubo del acoplador Gamma-Match es a 6.31%λ. SHUNT 4cm (Tabla 2)

Si el shunt es de 4cm la mejor posición para colocar el shunt a lo largo del tubo del acoplador Gamma-Match es a 4.73%λ.

Fig12. Gráfica de la Tabla 8 Todos los datos fueron medidos con el analizador de onda estacionarias en la Fig13 se puede ver la antena conectada al analizador de ondas estacionarias, mientras que en la Fig14 se puede ver una imagen tomada del valor más bajo del ROE obtenido antes de colocar el director, así como la frecuencia a la cual está trabajando la antena.

SHUNT 5cm (Tabla 3)

Si el shunt es de 5cm la mejor posición para colocar el shunt a lo largo del tubo del acoplador Gamma-Match es a 7.89%λ. SHUNT 6cm (Tabla 4) Fig13. Antena conectada al analizador de ondas estacionarias

RADIOCOMUNICACIONES > ACOPLADOR DE IMPEDANCIAS<

Página 29 ductiva que presenta la antena, permitiendo así obtener un bajo nivel de ondas estacionarias (próximo a 1). » Para acoplar un dipolo simple (antena) con un gamma match, se debe usar un shunt de 5cm (2.63%λ) de longitud y situarlo a 7.89%λ del punto de alimentación (Tabla 3), estos datos fueron calculados en base a una frecuencia de 150.15MHz.

Fig14. Valor más bajo del ROE medido en la antena sin director Las mediciones en la antena con director (Fig-15) se realizaron a partir del valor más bajo obtenido del ROE en la antena sin director, el cual lo muestra la Fig-13 y la Tabla 8, el cual es 1.4, cuando el shunt está situado a 15cm en el tubo como indica la Tabla 3; a partir de este valor, se fue variando la distancia de separación desde la antena al director entre un rango de 0.1λ a 0.25λ, estos datos se muestran en la Tabla 5.

» Para acoplar un dipolo simple con un director utilizando el Gamma-Match se debe usar un shunt de 5cm de longitud y situarlo a 7.89%λ del punto de alimentación y el director a 0.13λ, estos datos fueron calculados en base a una frecuencia de 150.15MHz. » El colocar elementos parásitos a la antena en este caso un director, da mayor estabilidad y un mejor nivel de ondas estacionarias (ROE) a la antena (Tabla 5 y Fig15). » El ROE en función de la longitud del shunt se muestra en la Fig-12, a partir de lo cual podemos concluir que la longitud mas optima para el shunt es de 5cm (2.63% λ); es decir si el dipolo es de λ/2 se debe utilizar un shunt de 5cm y variar su posición en base a la frecuencia de trabajo.

[1]

Fig15. Antena con director

REFERENCIAS Parámetros de antenas. Disponible en: www.proteccioncivil.es/es/DGPCE/ Informacion_y_documentacion/catalogo/carpeta02/ carpeta24/vademecum/vdm0251.htm#G

[2] Radio Afición. Disponible en: http://www.qsl.net/ xe3rn/10mts.htm [3] Revista en Corto Circuito (Numeral #1). Disponible en: http://blogs.utpl.edu.ec/cortocircuito [4] ANTENAS DE TELEVISIÓN, Santano D. y León, Tercera Edición.

Fig16. Valor más bajo del ROE medido en la antena con director El valor más bajo del ROE obtenido en la antena con el director es de 1.3 situando en director a 0.13λ del dipolo (Fig-16). X. CONCLUSIONES » El acoplador de impedancias entre antenas y cable coaxial Gamma-Match, permite anular la reactancia in-

[5] LAS ANTENAS, Brault R. y Piat R., Segunda Edición (1993).

COMPUTACIÓN DE ALTAS PRESTACIONES > LABORATORIOS REMOTOS<

Página 30

Laboratorios Remotos a través de la Web *Edwin Fabián Maza, Ruth Hidalgo, Pedro Arboleda, Pablo Torres; Ing. Patricio Puchaicela+ Resumen—El proyecto de ``Laboratorios Remotos'' se ha pensado con el objetivo de manipular hardware en tiempo real desde cualquier lugar donde se encuentre el usuario a través de internet. La arquitectura integra un servidor web donde se alojan un conjunto de servlets[8], un conjunto de scripts[8] desarrollados en python los mismos que controlan los movimientos de un robot electrónico, y una base de datos para el control y administración del sitio y de los usuarios que van a desarrollar las prácticas.

dar mayor énfasis a aspectos débiles de su aprendizaje. II.

CONCEPTOS

Laboratorio remoto Definición 1: Se accede a través de Internet a un sistema físico real para su manipulación directa. El software utilizado para el control remoto puede ser un navegador Web o una aplicación que necesita ser descargada del servidor del laboratorio. En algunas ocasiones puede que sea posible su visualización e incluso audición en tiempo real [5]

En el desarrollo de esta plataforma tecnológica se ha utilizado herramientas ``Open Source'' (código abierto), con el Laboratorio virtual monolítico objeto de optimizar recursos de hardware como software y Definición 2: Utilizando un navegador se descarga un estos a su vez permitirán contribuir a la comunidad científiapplet, un ActiveX o una aplicación que opera localmente ca con licencias GPL. con un recurso simulado. Es decir, la interfaz y el núcleo de Índice de Términos—Internet, laboratorio remoto, hard- simulación constituyen un único objeto. No se necesita la ware, software, código abierto, Open Source, servlet, apache instalación de ningún entorno de simulación, salvo los correspondientes plug-ins o run-time de Java, Labview, EJS o -tomcat, python, sitio, script. Sysquake. También se incluyen las aplicaciones ejecutables independientes [5] I. INTRODUCCIÓN n la búsqueda de estrategias de enseñanza en el campo Laboratorio virtual distribuido de la electrónica se ha propuesto un proyecto que permita al estudiante manipular hardware de manera remota, la Definición 3: El cliente utiliza una página HTML, un apfinalidad es que el estudiante y docentes aprovechen los plet, un ActiveX o una aplicación para conectarse con un recursos tecnológicos para el desarrollo de una asignatura servidor en el que se encuentra todo el software de simulaespecífica. Las características de la implementación de softción. El cliente ejecuta exclusivamente la interfaz en su ordeware tiene como características: multiplataforma, ―open nador, estableciéndose un diálogo a través de la red entre la source‖, multi-servicios, componentes de WEB2.0, entre interfaz y el servidor de simulaciones [5] otros. El prototipo incluye un servidor para la aplicación del laboratorio de electrónica y una interfaz web desde donde Laboratorio virtual híbrido los estudiantes tengan el control del componente de hardware. Definición 4: Es análogo al monolítico pero necesita obligatoriamente que el cliente tenga instalado en su ordenador Las ventajas de usar esta plataforma están en la posibili- el entorno de modelado y simulación, como, por ejemplo, dad de integrar las herramientas de última generación sobre podría ser MATLAB o SIMULINK [5] internet más los componentes de control sobre hardware En la actualidad, estos paradigmas se están instaurando específico. como complemento a la docencia tradicional, aportando inCriterio #: Limitada disponibilidad de los equipos en el numerables ventajas, entre las cuales se pueden citar: el acceso directo a materiales e información de los cursos, la no laboratorio [6] necesidad de desplazarse al centro y la flexibilidad de horaCriterio #: Los estudiantes sólo tienen acceso a estos en rios, la posibilidad de disponer de sistemas de autoevaluahorarios poco flexibles y con limitado tiempo de uso. A esto ción, el acceso a material de laboratorio limitado con operase puede agregar que no todos los estudiantes tienen la mis- ción remota (en asignaturas tecnológicas), la atracción de ma capacidad de asimilar, por lo que algunos requieren de alumnos a distancia, etc… más tiempo para afianzar los conocimientos con la experiIII. OBJETIVOS mentación; por lo tanto, el estudiante no puede practicar El proyecto del servidor de aplicaciones de ―Laboratorios libremente y analizar los aspectos que considere necesarios Remotos" tiene como objetivos:

E

COMPUTACIÓN DE ALTAS PRESTACIONES > LABORATORIOS REMOTOS< • Desarrollo de una plataforma modular, escalable y universal para las aplicaciones de laboratorios remotos.

Página 31 3. Administración de reserva de equipos 4. Podcast

• Integración de herramientas Open Sorce para el soporte de la plataforma tecnológica de laboratorios remotos.

El criterio fundamental seguido a la hora de diseñar la arquitectura ha sido procurar desarrollar una arquitectura lo • Desarrollo de software para la integración del portal web mas escalable posible e incluso utilizando herramientas de de laboratorios remotos con el software de control del proto- código abierto ``Open Source'': poder acceder desde cualtipo de hardware. quier ordenador de la Universidad y fuera de la misma, desde un ordenador familiar o portátil, desde un cibercafé, redu• Implementación de un sistema de administración del uso ciendo al mínimo los requisitos de la plataforma empleada de los laboratorios remotos. (sistema operativo, aplicación de lado del cliente). Nota #: Estos objetivos tienen como fin innovar e integrar las tecnologías independientes del área de estudio. IV.

REQUISITOS MÍNIMOS

1. Procesador 2.1 GHz 2. Memoria 1GB 3. Mainboard Intel 4. Disco duro 8GB 5. 2 Puertos USB 6. Lector de DVD-CD V.

HERRAMIENTAS UTILIZADAS

Para el desarrollo de este proyecto se consideraron algunas herramientas tales como: 1. Sistema Operativo Linux ``Distribución Centos 5.2'' 2. Lenguaje de Programación JAVA 3. Entorno de desarrollo NetBeans 6.5.1 4. Base de datos MySql 5.0 5. Apache-tomcat 6.0 6. Servidor Web Apache ``httpd 2.2.11'' 7. php 5.2.9 8. Jdk de java Nota #: La configuración de cada una de estas herramientas se detallan en un adjunto a este artículo

Fig1: Arquitectura General Ello significa que: • La aplicación cliente ha de desarrollarse sobre una tecnología multiplataforma que tenga soporte sobre el equipo ``servidor''. • No debe requerirse ningún tipo de instalación del lado del cliente. • Todos los datos y cambios solo se ejecutarán en el servidor del laboratorio. De ese modo es posible, incluso, que un alumno interrumpa la realización de una práctica y la retome en el punto donde la dejó en una máquina distinta. • El alumno podrá calendarizar sus prácticas por lo que en cualquier momento puede acceder a la aplicación. Como requisitos adicionales tenemos que:

• Las actualizaciones del cliente deben ser automáticas y no deben requerir ninguna acción especial por parte de los La arquitectura que proponemos permite realizar algunas alumnos. Su distribución debe alcanzar simultáneamente a experiencias en el campo de la programación y diseño. Se todos los alumnos sin que ello suponga un esfuerzo especial para los administradores del laboratorio. desarrollará en particular módulos específicamente para: 1. Registro y administración de usuarios • Si se pretende que este tipo de prácticas puedan usarse 2. Ejecución de scripts desarrollados en PYTHON para evaluar, es necesario que el alumno se identifique y que esta identificación se autentifique de algún modo. VI.

ENFOQUE GENERAL DE LA PLATAFORMA

COMPUTACIÓN DE ALTAS PRESTACIONES > LABORATORIOS REMOTOS<

Página 32

• Dado que la información va a viajar a través de redes no seguras, es necesario que al menos los elementos de identificación y autentificación sean protegidos durante su transmisión.

2. El contenedor de servlets tomará la petición para que el servlet correspondiente ejecuta el script de PYTHON

• A ambos lados de la conexión es más que probable que los datos tengan que atravesar cortafuegos; puede que, incluso, los proveedores de servicios de Internet, los ISP, cierren algunos puertos. En muchos casos no podremos controlar estos cortafuegos, por lo que es una buena idea comunicarse a través de puertos comúnmente abiertos. También, dada la creciente escasez de direcciones IPv4, es muy probable que se use NAT tanto en la red local del laboratorio como en la del cliente. El protocolo de comunicación debe funcionar a pesar de que ni el servidor ni el cliente tengan direcciones públicas.

4. El usuario tendrá la posibilidad de enviar parámetros al script para que el robot adecúe a la conveniencia del usuario.

3. El script ejecutado iniciará el movimiento del robot

C. Servidor Web En el servidor estarán algunas herramientas instaladas y configuradas como son; la aplicación web, la base de datos, el servidor de Podcast, los scripts. D. La aplicación web La aplicación está desarrollada en java utilizando, jsps, servlets y clases de java.

VII. DESCRIPCÍON DE LOS COMPONENTES DESARROLLADOS

A. Introducción Para el desarrollo de la aplicación se tomó en cuenta algunos parámetros como son los diferentes cables o circuitos que estarán conectados en el computador en donde se alojará la aplicación web. La URL es (www.utpl.edu.ec/labremotos/index.jsp). Este esquema se adoptó para pruebas ya que a futuro se debe implementarlo en el servidor principal de la Universidad, para una mejor seguridad tanto física como lógica. En la figura 1 se muestra esquemáticamente la comunicación del servidor y los usuario que acceden al mismo ya sea dentro o fuera de la red de la Universidad Técnica Particular de Loja. El laboratorio conectado, en esta primera versión, está orientado a manipular un robot. Los instrumentos utilizados dentro del laboratorio están conectados en red y el hardware a través del puerto USB. El servidor web del laboratorio se encuentra conectado, a través de la intranet de la Universidad, el mismo que tiene permisos para que desde fuera de la rede de la Universidad puedan acceder a la aplicación. El servidor web tiene instalado el contenedor de JSP y Servlets como es el paquete Jakarta Tomcat[10], que permite la ejecución de Servlets[8] y ofrece servicios WEB básicos. Más adelante se describe con más detalle la estructura de la conexión del software desarrollado en este trabajo. B. Ejecución de los scripts Como se mencionó anteriormente, en esta plataforma se desarrollo scripts los mismos que serán ejecutados a través de la web. Los eventos que ocurren durante la ejecución de los mismos es la siguiente: 1. El usuario envía la solicitud de movimiento del robot a través de la web

Fig2. Página Índex E. Base de datos Se ha implementado en la base de datos MySQL versión 5.0, y para su administración gráficamente se utilizó phpMyAdmin. VIII.

ESTRUCTURA DEL SOFTWARE

El sistema para el manejo del laboratorio se dividió en tres partes principales: La primera consiste en el control de acceso de los usuarios al laboratorio remoto en el servidor WEB, la segunda en el control del hardware para la realización de cada experimento a través del servidor web y la tercera un podcast que permitirá mostrar para el usuario información y videos referentes al transcurso del avance tecnológico. A. Sistema de control de acceso Consta de la página principal del laboratorio remoto que llama a un servlet que controla el uso del laboratorio, autorizando o denegando el acceso de acuerdo a la disponibilidad de los equipos. Cuando el usuario es autorizado a realizar una práctica de manera remota, recibe una página WEB con la práctica referente a lo impuesto por el docente o puede ser un listado de prácticas tomando en cuenta la disponibilidad del equipo para la realización de la práctica.

COMPUTACIÓN DE ALTAS PRESTACIONES > LABORATORIOS REMOTOS<

Página 33 Aquí se agregaran algunas imágenes del robot y de las páginas web……….. X.

CONCLUSIONES

» Se ha concluido que la tecnología cumple con los objetivos planteados, especialmente de multiplataforma y escalable. » La integración de herramientas de código abierto reduce costos en los recursos especialmente de software.

Fig3. Estructura de la aplicación web que ha sido implementada En esta página el usuario selecciona la práctica y recibe una página web con un formulario en el que se le solicitan los parámetros de configuración para la práctica. Cuando el usuario hace clic sobre el botón de medir, los parámetros son enviados a un JSP. El JSP procesa los parámetros verificando que sean válidos para la ejecución de la práctica en cuestión. Para ejecutar las solicitudes por el usuario se llama a un Servlet de control el mismo que ejecuta un script desarrollado en PYTHON para la intercomunicación entre el computador y el hardware, al cual se le envían todos los parámetros necesarios de la práctica. B. Control del hardware Para la realización de las prácticas de electrónica, aún no se han definido equipos específicos, pero para la demostración se ha utilizado un ``ROBOT'' el mismo que está conectado a través de un puerto USB, el cual recibe órdenes desde el computador a través de la ejecución de un ―SCRIPT‖ desarrollado en el lenguaje de programación ―python‖, por el cual se envían los parámetros correspondientes a lo desarrollado o implementado en el robot. El control del hardware se lo realiza por medio del script antes mencionado. Por lo tanto la comunicación entre el servlet de control y el hardware el script desarrollado en python. En el caso del robot se han programado movimientos los mismos que son ejecutados por un script específico. El servlet de control procesa la orden de ejecución de cada movimiento. Cada práctica requerirá de una interconexión propia para la manipulación del hardware. IX.

RESULTADOS

La aplicación web para el control remoto del laboratorio ha tenido algunos resultados como son: • La orden que primero llega al servidor es ejecutada. • Las órdenes que se ejecuten en el tiempo en que exista otra en ejecución se descartarán.

» La implementación como herramienta de la WEB 2.0 y posteriores tiene gran acogida especialmente por los usuarios en la actualidad por lo que no será complicado adaptarse a la misma. » El motor de base de datos de código abierto responderá de manera optimo en la plataforma por lo que no requiere de soporte extra lo cual se puede administrar los registros de los usuarios ya sea para prácticas o para tener la oportunidad de integrarse a este equipo innovador de desarrollo de nuevas tecnologías. REFERENCIAS

[1] Implementación de una tecnología para la construcción de laboratorios remotos para la enseñanza de electrónica usando Internet, Harvey Giraldo Arboleda, Mauricio Álvarez Mesa, José Edinson Aedo Cobo, publicado 2008 [2] Laboratorios Remotos en la WEB, una Herramienta para la Cooperación al Desarrollo en el Campo de la Educación, Universidad de Valladolid [email protected] [3] ARQUITECTURA CLIENTE-SERVIDOR PARA UN LABORATORIO REMOTO, L. CASTEDO, L. DÁVILA, R. GONZÁLEZ, M. HERNANDO, S. LÓPEZ, P. QUESADA, D. RODRÍGUEZ-LOSADA, P. SAN SEGUNDO Y C. SANTOS, Universidad Politécnica de Madrid. España, [email protected], 2007 - 2008 [4] Un Laboratorio de Ingeniería de Control Basado en Internet, Nourdine Aliane, Javier Fernández, Aída Martínez y Jaime Ortiz Universidad Europea de Madrid, Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática, C/ El bosque s/n, Villaviciosa de Odón, 28670 MadridEspaña, [email protected] [5] MEMORIA DESCRIPTIVA DE ACCIONES DESARROLLADAS PROYECTOS DE MEJORA DE LA CALIDAD DOCENTE VICERRECTORADO DE PLANIFICACIÓN Y CALIDAD IX CONVOCATORIA (2007-2008) UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA [6] Plataforma de aprendizaje a distancia en automatización industrial empleando laboratorios remotos, Alfredo Saire, Henry Gómez, Invest Apl Innov 2(2), 2008

COMPUTACIÓN DE ALTAS PRESTACIONES > LABORATORIOS REMOTOS< [7] Red Hat® Linux® Networking and System Administration, Third Edition, Terry Collings and Kurt Wall, Published by Wiley Publishing, Inc., www.wiley.com [8] Core Servlets and JavaServer Pages (Sun Microsystems Press), www.coreservlets.com , More Servlets and JavaServer Pages at www.moreservlets.com , Marty Hall [9] La biblia del Servidos Apache, Mohammed J. Kabir, www.apacheweek.com , www.apache.org [10] Primeros pasos con Tomcat www.jakarta.apache.org/ site/binindex.cgi [11] Cisco Networking, www.cisco.netacad.net

Página 34

COMPUTACIÓN DE ALTAS PRESTACIONES > CÁMARA WEB CON PHYTON<

Página 35

Control de cámara web usando python *Christian Andrés Caraguay Correa; Ing. Patricio Puchaicela+ [email protected] [email protected] Resumen—El trabajo tiene como objeto explicar cómo mostrar las imágenes captadas por una cámara web utilizando el sistema operativo Linux Centos, conjuntamente con el entorno de programación Python. El sistema inicia con la toma de las imágenes de la cámara que está conectada al computador por el puerto USB1, el sistema Operativo Linux detecta la cámara gracias al driver; luego usando el script de Python, el que reconoce la cámara, la abre, luego empieza a capturar el video, mostrando todo en una ventana. Índice de Términos—USB, Drivers, Linux, Python.

A

I.

INTRODUCCIÓN

l trabajar con el sistema operativo Linux y otros programas de libre distribución como Python, se evita el tener que pagar por licencias de uso. El control de una cámara web utilizando el sistema operativo Linux, es un largo proceso, dado que la mayoría de las compañías fabricantes de cámaras web las distribuyen con un driver que únicamente puede utilizarse en el sistema operativo Windows. Al usar sistema operativo Linux, específicamente Centos5.2 existen complicaciones al buscar, instalar y probar las librerías necesarias para el control de un puerto USB, por donde se conecta la cámara con el computador, y el manejo de las imágenes receptadas por la cámara. Cabe recalcar el muy significativo papel que jugaron los distintos comando que se usan en el sistema operativo Linux, ya que estos permitieron instalar, mostrar, probar y ejecutar los distintos pasos y programas usados durante nuestro trabajo. Finalmente se logro cumplir el objetivo de mostrar las imágenes receptadas por la cámara web. II.

INSTALACIÓN

A. Driver de la Cámara Para iniciar debemos saber exactamente el tipo de cámara que estamos usando, dentro de la consola digitamos el comando lsusb, el que nos mostrara los dispositivos USB conectados al computador como se muestra en la Fig1.

A continuación utilizamos el driver gspcav120071224.tar. gz; al que lo descargamos teniendo en cuenta que este es el adecuado para el kernel [] de el sistema operativo. Luego descomprimimos el archivo y desde la consola ubicándonos en el directorio donde se encuentra el archivo descomprimido y digitamos el comando. / gspca_build que hará que inicie el proceso de instalación del driver, durante este proceso debemos ir siguiendo los pasos que automáticamente se muestran, y con esto se tendrá finalmente instalada la cámara en el sistema operativo. B. Librerías de Python El programa python necesita de varias librerías para poder comunicarse con la cámara web y mostrar las imágenes, las librerías utilizadas son:  Opencv 1.0 (librería del sistema)  Opencv-python 1.0 (Liberia de Python)  python-imaging-tk-1.1.6  Pygame OPENCV OpenCV es una librería libre de visión artificial originalmente desarrollada por Intel y publicada bajo licencia BSD, que permite que sea usada libremente para propósitos comerciales y de investigación con las condiciones en ella expresadas [1]. La biblioteca es multiplataforma, y puede ser usada en Mac OS X, Windows y Linux. Está orientada al tratamiento de imágenes en tiempo real, lo que es posible si encuentra en el sistema las Primitivas de Rendimiento Integradas de Intel [2] PYTHON-IMAGING-TK-1.1.6 Python Imaging Library (PIL) añade capacidades de procesamiento de imagen a su intérprete Python. Esta biblioteca es compatible con muchos formatos de archivo, y proporciona un potente servicio de procesamiento de imágenes y gráficos. [3] PYGAME Pygame es un conjunto de módulos del lenguaje Python que permiten la creación de videojuegos en dos dimensiones de una manera sencilla. Está orientado al manejo de sprites. 1

Fig1. Consola que muestra los dispositivos USB conectados.

El Universal Serial Bus, abreviado comúnmente USB, es un puerto que sirve para conectar periféricos a una computadora.

COMPUTACIÓN DE ALTAS PRESTACIONES > CÁMARA WEB CON PHYTON< También puede utilizarse para crear otros programas multimedia o interfaces gráficas de usuario. Funciona como interfaz de las bibliotecas SDL [4] Para instalar todas estas librerías, luego de descargarlas, desde una consola ubicados en el directorio donde se descargo y digitar el comando tar.vfxz (nombre del archivo), luego ingresar en el directorio que se crea a partir del comando anterior usando el comando cd (nombre del directorio) (cd opencv-1.0.0 en el caso de la primera librería), finalmente seguir los pasos para instalar que se dan en el fichero Install de cada directorio creado. Una vez instalado todo lo antes expuesto ya estaremos en capacidad de correr el script que permite ejecutar la cámara. III.

ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO

IV.

CONCLUSIONES

» La utilización de sistemas operativos alternativos resulta más conveniente porque evita el tener que pagar licencias. » La instalación de programas y librerías en Linux puede resultar engorroso, pero las utilidades que prestan son más eficientes. » El buscar aplicaciones en Linux puede ser muy difícil, dado que la mayoría de aplicaciones de hardware están fabricadas para el sistema operativo Windows. V.

RECOMENDACIONES

 Siempre que se desee instalar una librería o un programa desde la consola debemos realizarlo como súperusuario (root) para tener todos los permisos del sistema.  Se puede dar el caso de que la cámara web que usamos no se encuentra dentro de la lista de cámaras compatibles del driver, es recomendable aun así instalarlo ya

Página 36 que pueden existir versiones superiores a la de nuestra cámara y pueden ser compatible con la cámara que usamos. REFERENCIAS

[1] Wikipedia, “OpenCv” Disponible en: www.wikipedia.org/wiki/OpenCV [2] Pythonware.com, Python Imaging Library (PIL) Disponible en: www.pythonware.com/products/pil/ [3] Wikipedia, ―Pygame‖ Disponible en: [4] www.wikipedia.org/wiki/Pygame

COMPUTACIÓN DE ALTAS PRESTACIONES > BRAZO ROBÓTICO<

Página 37

Construcción de un brazo robótico *Jefferson Fernando Camacho Muñoz; Ing. Patricio Puchaicela+ [email protected] [email protected]

Resumen—En la construcción del brazo robótico se ha utilizando materiales de fácil acceso y de uso común como por ejemplo cinta, pernos, madera, etc.

teriormente el hombro, codo, luego la muñeca, hasta terminar en la pinza, Los servomotores que utilizaremos serán el HS-311 para las diferentes articulaciones y el HS -82 para la pinza.

En el desarrollo del software para controlar los movimientos del brazo, se utilizó el lenguaje de programación CCS [1] integrado con el lenguaje basic.

B. Base

El PCB1 construido permite controlar los cinco servomotores ubicados en las articulaciones del brazo robótico; mediante el uso del puerto de comunicaciones USB. El brazo utiliza una sincronización de los grados de libertad, para evitar que choquen las partes entre sí, en la base es de 108ª a 173ª, en el codo es de 27ª a135ª, en la muñeca es de 36ª a171ª y en la pinza es de 45ª a 135ª. Mediante este trabajo de investigación nos ha permitido contribuir con nuevo software para el control de servomotores y la posibilidad de manipularlos remotamente en un sistema integrado bajo servidor web.

La base es un juego de tres ruedas, dos que contendrán el servo motor encargado del giro las cuales serán fijas, y la tercera sobre la cual estarán fijos los servo motores del antebrazo será móvil. El diámetro de las ruedas es de 10cm, la rueda que irá en la parte superior, tendrá un hoyo de aproximadamente 0.5cm de diámetro, el cuál servirá para quitar el perno en el servo motor, y la siguiente tendrá también un hilo de aproximadamente 0.7cm de diámetro que será por donde pase la rueda del servomotor (Fig1).

Índice de Términos—USB, servomotor, PCB, host, lenguaje basic, compilador CCS, comunicación asíncrona, buffer.

E

I.

Fig1. Ruedas de la base

INTRODUCCIÓN

n el presente documento se pretende demostrar, la manera más sencilla para la construcción de un brazo robótico, utilizando como material principal pérula2. Mediante el compilador CCS se realizara el software necesario para controlar los movimientos del brazo, en el cuál se llamara a las diferentes funciones encargadas de realizar la conexión USB y mover independientemente cada uno de los servos…

La separación que debe existir entre la primera y la segunda rueda, debe ser la necesaria para que entre el servo motor, y la separación entre la segunda y la tercera debe de ser la suficiente para que gire la tercera con completa libertad sin tener ningún roce con la segunda (Fig2).

Para integrarlo a un servidor web se debe desarrollar un scrip en python para la entrada de datos al robot, intentando que este hardware sea utilizado en plataformas de código abierto. II.

Fig2. Base del brazo

PROCEDIMIENTOS

A. Construcción del Brazo Robótico Para la construcción de la parte mecánica del brazo es preferible utilizar pérula por las facilidades que presta al momento de cortar, perforar. El diseño del brazo robótico está basado en los diseños de los brazos de lynxmotion [2], con referencia a esta página, empezaremos por la construcción de la base, pos-

1

Es un medio para sostener mecánicamente y conectar eléctricamente componentes electrónicos, a través de rutas o pistas de material conductor 2

Usado para entablillar disponible en farmacias

COMPUTACIÓN DE ALTAS PRESTACIONES > BRAZO ROBÓTICO< C. Hombro Para el hombro utilizaremos pérula, el dímetro de esta debe de ser del ancho de la rueda del servo motor 2.5cm aproximadamente, se procede a cortar dos rectángulos de 13.5cm de largo (Fig.3).

Página 38 Aquí también se utilizara un servomotor, la parte posterior estará sujeta al rectángulo del codo por medio del eje de rotación, y la frontal estará sujeta a la rueda del servo (B) (Fig7.).

A) B) Fig7. Soportes de la pinza Fig3. Soportes laterales (hombro)

Quedando la muñeca de la siguiente manera (Fig8)

El extremo que va unido al servomotor de la base, debemos cortarlo de tal manera que cuando el servo gire no exista rozamiento entre la pérula y la rueda de giro (Fig.4)

Fig8. Soporte de la pinza F. Pinza Fig4. Unión de los Soportes con los servos en la base D. Codo En la elaboración del codo se utilizará dos servomotores, por lo tanto, cortaremos dos rectángulos de la misma medida del ancho del servomotor dentro de un rectángulo mayor que medirá 13.5cm de largo, el ancho es el de la pérula (Fig.5).

Fig5 Soportes del codo En los servomotores se utilizara un eje de rotación, para mantener la estabilidad (Fig6)

La rueda del servomotor que irá ubicado en la pinza, estará sujeta a un engranaje, el cual, al momento de girar hacia un lado moverá a otro engranaje hacia el lado contrario, de esta manera se abrirá y cerrara la pinza (Fig9)

Fig9. Pinza III. ELABORACIÓN DE UN PROGRAMA EN CCS PARA CONTROLAR LOS MOVIMIENTOS DEL BRAZO POR MEDIO DE UNA CONEXIÓN USB.

Desde el PC se envía un dato al host, el cual es almacenado en la variable buffer dentro del pic 18F2550 [3] luego por medio de comparaciones y utilizando un case mueve cada uno de los servomotores independientemente.

Fig6. Eje de rotación E. Muñeca

El programa ejecuta acciones especificadas en su estructura. A. Esquema de funcionamiento del sistema

COMPUTACIÓN DE ALTAS PRESTACIONES > BRAZO ROBÓTICO<

B. Algoritmo para la conexión USB en CCS [4] Incluir 18F2550.h Declaraciones HSPLL, NOWDT, NOPROTECT, NOLVP, NODEBUG, USBDIV, PLL3, CPUDIV1, VREGEN Reloj igual a48000000 Incluir usb_cdc.h Librería para la conexión USB Inicio { delay_ms(300) Un retardo de espera usb_cdc_init() Configuración del USB usb_init() Mientras el dispositivo no sea reconocido { Encener el pin_B4 } Ciclo principal { Si el dispositivo se encuentra enumerado por el sistema operativo if ( usb_enumerated() ) { // Si hay datos en el búfer if ( usb_cdc_kbhit() ) {Lee el dato en el búfer } } } Mientras sea verdadero } C. Algoritmo para mover un motor en CCS [5] Incluir 18F2550.h Declaraciones HSPLL, NOWDT, NOPROTECT, NOLVP, NODEBUG, USBDIV, PLL3, CPUDIV1, VREGEN Reloj = 48000000 Incluir usb_cdc.h Definer M1 PIN_B0 //GIRO Inicio { Introducir b=0, a=0 Caracter c; Tiempo de espera en milisegundos 300 usb_cdc_init usb_init Mientras no esté conectado usb_cdc_connected { Encender PIN_B4

Página 39 Bucle infinito { usb_task Si hay datos en el búfer Si una tecla ha sido presionada { c toma el valor de lo almacenado en el buffer Si C es igual a 2 o a 3{ Si b es mayor o igual a5o menor a176 b=a+9 GIRO a=b switch ( c ) { Case '1': En este case se encuentra una pequeña rutina { int mot[] = {M1,M2,M3,M3 } int pos[] = {180,135,150,190} int n; int16 mul=10 int i; for (i=0;i SERVIDOR PODCAST< Para mayor información o manuales sobre el uso del mismo podemos ingresar a la siguiente dirección: www.cafetero100.info/boletin-6.html III.

IMPLEMENTANDO UN PODCAST

Una ves que tengamos nuestro servidor propio, Xampp, o cualquier otro que sea de nuestro gusto funcionando correctamente y conjuntamente con nuestra base de datos (MySql) debemos de implementar Loudblog en nuestro servidor, ya que Loudblog es un CMS (Gestor de Contenidos) su instalación no es muy complicada especialmente si ya hemos trabajado con CMSs (Joomla, MediaWiki, Mambo, Drupal, etc.) [6]. A. Instalación: 1. Descargar el paquete de instalación de Loudblog desde la siguiente dirección: www.loudblog.com/ index.php?s=file_download&id=69 2. Descomprimir y subir todos los archivos al servidor, generalmente a la carpeta ―htdocs‖ ubicada dentro del directorio del servidor, aunque en algunos servidores tiene el nombre de ―www‖. Es recomendable crear una carpeta dentro de este directorio y ahí descomprimir el paquete de Loudblog. 3. Abrir desde un navegador web el fichero install.php que se encuentra en directorio raíz donde has subido los archivos, escribiendo la dirección http://localhost/podcasting/loudblog/install.php Localhost: servidor local Podcasting: carpeta creada dentro del servidor, en donde se descomprimió el paquete descargado de Loudblog. Loudblog: carpeta interna, contiene los scripts PHP. Install.php: fichero de instalación. 4. Debemos de llenar una serie de campos, sobre información de nuestro servidor y base de datos.

CODIGO PARA CODIGO COPIAR PARA COPIAR

Fig4. Fin instalación de Loudblog 6. Para finalizar debemos dar permisos a las carpetas audio y upload a ―777‖, es decir permisos de lectura, escritura, escritura/lectura. Para mas información o tutoriales sobre la instalación podemos ingresar a los siguientes enlaces: www.podcastellano.es/como-instalar-loudblog www.amarcuruguay.org/AMARC/Tutoriales/ Tutorial%20Loudblog.pdf B. Administración de Loudblog Ya instalado Loudblog podemos realizar algunas configuraciones y administrar el sitio, para ello debemos de ingresar desde nuestro explorador web al sitio de administración, el cual tendría una apariencia como la siguiente:

Fig5. Administración de Loudblog

Fig3. Instalación de Loudblog 5. Luego tendremos q copiar un código php al archivo en blanco config.php.

COMPUTACIÓN DE ALTAS PRESTACIONES > SERVIDOR PODCAST< Aquí podemos encontrar las siguientes opciones: a) Grabación._ para subir los archivos de audio o video al servidor b) Entradas._ donde se puede editar o eliminar las entradas que se han ingresado. c) Comentarios._ gestionar los comentarios ingresados en nuestro sitio. c) Estadísticas._ control sobre las visitas al web, descargas, reproducciones del flash, así como los feed RSS. d) Organización._ crear, editar o eliminar los usuarios de nuestro sitio, así como las categorías y etiquetas que tendrá nuestro sitio. e) Configuraciones._ permite realizar configuraciones generales, como información sobre el sitio, propiedades de feed RSS, subida de archivos (servidor FTP o CGI/Perl), activación de comentarios, formato de fecha, editar etiquetas ID3, y algunos aspectos mas. Para mayor información sobre la administración de Loudblog así como sus diversas funciones podemos ingresar a los siguientes enlaces: www.radiobronka.info/IMG/pdf/ EL_LIBRO_DEL_PODCAST.pdf www.podcastellano.es/como-administrar-2-loudblog Si queremos observar nuestro sitio (servidor podcast) lo podemos hacer desde nuestro explorador, dependiendo de nuestra plantilla (template) y las configuraciones que hemos hecho tendrá una apariencia como la siguiente:

Página 45 C. Gestionando Videos Al momento de trabajar con videos se debe realizar algunas configuraciones previas para poder observar los videos y permitir su sindicación. Loudblog viene integrado con un reproductor de audio lo que permite que solo con subir los archivos de audio ya se pueda reproducir y escucharlos en la web. Pero para los videos solo contiene un reproductor de video para formatos MOV, es aquí donde surge el problema de tratar de observar un video en la web ya que este formato necesita de un plugin6 especial para reproducir los videos [7]. D. El reproductor de video Disponemos de varios reproductores de video para la web, en varias formas y diversas funciones. Los cuales nos permiten reproducir los videos en la web de forma práctica y sencilla. Los formatos que reproducen son varios pero se recomienda el formato FLV ya que es muy liviano y rápido al momento de descargar o de reproducir, y el plugin que requiere actualmente ya viene integrado en los exploradores o se lo puede descargar de Internet. El reproductor que se ha elegido es el JWplayer JWplayer para formatos FLV, el cual se lo puede descargar en: www.longtailvideo.com/players/jw-flv-player, El archivo descargado será una carpeta comprimida, la cual debe contener archivos SWF y un archivo JS, que sirven para su ejecución, el reproductor JWplayer contiene:    

Player-viral.swf : el reproductor de video yt.swf : componente del reproductor expressInstall.swf: componente del reproductor swfobject.js : un script que permite la ejecución en la web

Estos archivos deben de estar dentro del directorio del servidor, dentro de la carpeta que contiene nuestro sitio (/ htdocs/podcasting/loudblog). Se debe de recordar la ubicación de estos archivos ya que se requiere para reproducir los videos. Ya teniendo nuestro reproductor listo lo que se debe hacer es al momento de crear una entrada, en el área donde se ubica el texto ubicar el siguiente código HTML:

6

Fig6.Servidor Podcast

Plugin: es un módulo de hardware o software que añade una característica o un servicio específico a un sistema más grande.

COMPUTACIÓN DE ALTAS PRESTACIONES > SERVIDOR PODCAST<

Página 46 File: el URL del archivo de video que queremos reproducir. Width y height: la dimensión que tendrá el reproductor en la web, en este caso 300x300 pixeles. Flashvars: dimensiones de los controles del reproductor.

Este código llama al video a reproducir conjuntamente con el reproductor de video FLV (JWplayer), este código realiza lo siguiente:  Object type: etiqueta HTML que llama a la aplicación a utilizarse así como el plugin que necesita el navegador web.  Data: la ubicación donde se encuentra nuestro reproductor de video (JWplayer).  File: la ubicación del archivo de video que queremos reproducir.  Width y height: la dimensión que tendrá el reproductor en la web, en este caso 300x300 pixeles.

Fig7. Video a reproducirse

Para mayor información podemos ingresar a la siguiente dirección: www.publiblanes.net/video_flv/flvplayer_flv/ player.html Para comprobar que el código es correcto solo debemos de ingresar a nuestro sitio y verificar si el video se reproduce correctamente. Ahora si queremos compartir nuestro video lo que se debe realizar un embebido7 de nuestro video, para ello se utiliza el código de la Fig8: El código realiza las siguientes operaciones: embed: etiqueta HTML que permite el embebido de videos. src: el URL donde se encuentra nuestro reproductor de video (Jwplayer). 7

: En programación o desarrollo de páginas web, embeber significa insertar (incrustar) código de un lenguaje dentro de otro lenguaje.

Fig8. Código implementado

COMPUTACIÓN DE ALTAS PRESTACIONES > SERVIDOR PODCAST< IV.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

 La administración de Loudblog es sencilla y bien organizada, no se necesita ser un experto para utilizarla.  Los formatos de audio que permite el servidor podcast son variados mp3, avi, entre otros…

Página 47  Conocer el lenguaje HTML, ya que se ocupa bastante en este tipo de servicios.  Conocer lo que son los feed RSS, ya que es una de las características principales de un podcast.

 EL gestor de contenidos Loudblog permite subir comentarios de audio, previamente grabados.

 Verificar que los permisos de las carpetas donde subimos nuestros archivos, que tengan los permisos de ―777‖.

 El servidor podcast brinda la posibilidad de administración de varios usuarios.

[1]

 Un problema puede ser el tamaño de los archivos, se debe realizar varias configuraciones en Loudblog para permitir mayor tamaño en la subida de archivos.  Dificultad al momento de subir videos de diferentes formatos con Loudblog, solo es recomendado FLV y MOV. V.

CONCLUSIONES

» No es necesario tener conocimientos muy avanzados ni especializados para poder implementar un podcast. » Comprobar lo útiles que nos pueden resultar los podcast al implementarlos en algún proyecto. » El servidor Xampp es de gran utilidad al momento de trabajar con bases de datos ya que nos facilita el uso de las mismas, mediante phpMyAdmin. » La variedad de formatos de audio/video que nos ofrece Loudblog. » La base de datos, MySql, nos ofrece un mejor servicio al momento de trabajar con gestores de contenidos (CMS). RECOMENDACIONES

 Tener conocimientos previos o pedir información sobre el servidor FTP.  Antes de instalar Loudblog crear y comprobar que esta funcionando correctamente la base de datos.  Realizar pruebas del reproductor de video en diversos servidores, para comprobar el uso del mismo.  Verificar siempre los formatos de audio y video que vamos a subir.

REFERENCIAS

Podcast www.radiobronka.info/IMG/pdf/ EL_LIBRO_DEL_PODCAST.pdf www.podcastellano.es www.podcast-es.org

[2] Feed RSS www.podcastellano.es/book/print/53 www.wikipedia.org/wiki/RSS [3] Loudblog www.loudblog.de http://informediario.com/2005/04/loudblog-gestorweb-de-podcast.html [4] Fig.1. www.adictosaltrabajo.com/tutoriales/tutoriales.php? pagina=xampp [5] Fig. 2. www.cafetero100.info/boletin-6.html [6] Fig3. Fig4. y Fig5. www.amarcuruguay.org/AMARC/Tutoriales torial%20Loudblog.pdf www.diarioaborbo.com/?dl_id=1

Tu-

[7] Gestionando videos www.publiblanes.net/video_flv/flvplayer_flv/ player.html http://www.longtailvideo.com/players/jw-flv-player/ http://www.publiblanes.net/video_flv/ como_poner_video s_flv_en_tus_paginas.htm [8] Domine PHP y MySQL, José López Quijado, 2007. [9] Diseño y Desarrollo Multimedia, Manuel Castro, Antonio Colmenar, Pablo losada, Juan Peire, 2006.

PESQUISA DE HARDWARE > CONTROL DE DISPLAY GRÁFICO CON AVR<

Página 48

Método de control para un display gráfico (GLCD) con microcontrolador AVR *Marcelo Vicente Ramírez Sánchez; Ing. Manuel Fernando Quiñonez Cuenca+ [email protected] [email protected] Resumen— En la actualidad existen varios métodos y programas para controlar un GLCD, algunos son simples y otros un poco más sofisticados así como multifuncionales. Para la presente investigación se uso un microcontrolador avr (Atmega 32), y el controlador (chipdrivers) KS0108 con su respectiva librería KS0108 que soporta LCD‘s Gráficas (GLCD), en internet se puede encontrar una gran diversidad de este tipo de librería. Para la programación del microcontrolador se usa el software CodeVisionAVR. Índice de Términos—Driver, GLCD, KS0108.

L

I.

INTRODUCCIÓN

os LCD‘s gráficos (GLCD por sus siglas en inglés) son pantallas de cristal líquido cuya resolución es medida en pixeles. A diferencia de los LCD‘s de texto, en los GLCD‘s, se puede tener acceso a cada pixel disponible, potenciando con ello las posibilidades de presentación y manejo de información. [1] Debido a que existen en el mercado electrónico una gran diversidad de display‘s gráficos, de tamaños y tipos variados, para esta demostración he decidido utilizar un solo tipo de GLCD como es el TS12864A-2 de 128*64, en la tabla 1 se resume algunas de sus características generales. TABLA 1 Características técnicas del GLCD TS-2864A-2 FEATURES • Module: graphic LCD arranged as 128 x 64 dots with LED Back-light*(Yellow/Green) • Glass Type: STN • Viewing Direction : 6 „clock (bottom view) • Display color: Green • Background color: Yellow • Polarizer mode: Positive, Reflective/Transflective • Driving Method: 1/64Duty Cycle, 1/9 Bias • Glass to PCB: ZEBRA CONNECTOR • Dot Size : 0.48x 0.48 mm • Dot Pitch : 0.52 x 0.52 mm [Datos tomados del datasheet: Specification For LCD Module TS-12864A-2] [2]

II.

CONTROLADOR Y LIBRERIA KS0108

Un GLCD por sí mismo no se puede conectar directamente a un microcontrolador, para ello necesita de un chipdriver, que se encarga de interpretar las señales recibidas. Los chipdrivers mas empleados son: KS0108 (A, B, y C), SED133x, T6963c, Noritake3900 y lc7891. Cada chip requiere de un circuito específico que actúa como interfaz entre el microcontrolador y el LCD. [3] Podemos encontrar en Internet las librerías correspondientes a cada controlador para comenzar a trabajar, también existen varias herramientas que pueden utilizarse para generar matrices de caracteres, gráficos, entre otras funcionalidades para el GLCD, entre estos programas especializados están el LCDHype, el LCDStudio, el LCDInfo, entre otros. El controlador que utilicé para poner a funcionar mi GLCD es el KS0108, con su respectiva librería KS0108.lib que descargué de la página www.eca.ir. La librería es fácil de entender y de utilizar ya que su código y sus funciones están expresados de forma clara y entendible. IV.

DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO GRÁFICO 128*64

El GLCD tiene pines de control y de datos. Los de control son: CS1, CS2, DI, RW, E y Reset. Los de datos son del DB0 al DB7. Este GLCD se divide en 2 zonas de 64 * 64 pixeles. Con los pines de selección CS1 y CS2 seleccionamos que zona queremos usar. Con los pines DI y RW nos sirven para controlar el display y decirle si queremos leer o escribir datos desde o hacia el display, ejecutar alguna instrucción o leer el status del GLCD. El pin E (enable) sirve como forma de decirle al display que lea los otros pines de control y ejecute lo que se le indica por medio de estos y el pin de Reset, pues ya se han de imaginar para que sirve. Con los pines de datos se va poder enviar o recibir datos del display y leer el status del chip de control del display. Para mayor información remitirse a [2] En la Fig1 se muestra la conexión que utilicé entre el GLCD y el microcontrolador avr (Atmega32).

PESQUISA DE HARDWARE > CONTROL DE DISPLAY GRÁFICO CON AVR<

Página 49 aunque no soy muy bueno para el dibujo a mano alzada el programa supero todas mis expectativas; además, en un 5to botón programé el micro para que presente una imagen acerca de mí (Fig3).

Fig3. Imagen en simulación Fig1. Conexión entre el GLCD y el microcontrolador avr Para comenzar hacer funcionar la GLCD presento a continuación 3 programas que he diseñado como ejemplo de su utilización. IV.

GLCD GEOGRÁFICA

V.

GLCD ANIMACIÓN

Para realizar este programa me base en el procedimiento básico de la animación (ver Fig4), podemos lograr el mismo efecto en nuestros proyectos, con paciencia y dedicación se puede lograr hacer verdaderos cortos animados. a)

Este programa demuestra una de las formas de cómo utilizar la GLCD para que nos presente información gráfica, ya que nos enseña 4 mapas latinoamericanos, que son activados por medio de 4 botones, el hardware del circuito es una placa que he armado para un proyecto de un osciloscopio digital, pero puede ser utilizada para presentar otros proyectos siguiendo la configuración de sus conexiones (ver Fig1). En la Fig2 se presenta la GLCD ya trabajando, tanto en simulación como montada en la placa.

Fig4. Secuencia de imágenes para hacer una animación a) Gráficos a visualizar b) Gráficos en la GLCD VI.

Fig2. GLCD en simulación y en placa Los gráficos fueron diseñados en el programa FastLCD,

GLCD TEMPERATURA

Por último he diseñado un programa que incluye todo el conocimiento que he adquirido sobre el manejo de los GLCDs. Este programa indica la Temperatura y la Hora; el valor de la Temperatura es enviada al microcontrolador por medio de un LM35 (Fig 5), y la Hora está controlada por un TIMER del micro (interrupción interna). La única forma de igualar los minutos y las horas es desde el archivo fuente del proyecto. [4]

PESQUISA DE HARDWARE > CONTROL DE DISPLAY GRÁFICO CON AVR<

Página 50 sobre sus autores haciendo una tarea casi imposible el encontrar sus informes bibliográficos » Al comenzar a utilizar por primera vez estas pantallas se posee una recibida perspectiva de desorientación debido a que aparentan tener un control muy técnico y científico. Pero a medida que se va investigando y experimentando con los diversos métodos de control se convierte en algo sumamente fácil y hasta divertido.

Fig5. Sensor de temperatura LM35. El programa inicializa con una animación que representa el software dentro del micro cargándose (ver Fig6).

» La información recopilada y las demostraciones de control sobre estos GLCDs es el comienzo de un trabajo más extenso y profundo debido a que existe un inmenso número de métodos de control para estas pantallas, así que cualquier duda, inquietud o sugerencia será bien REFERENCIAS

[1] HARDWAREX, Tech4pcs, Foro en línea, LCD grafico para monitorear la PC. Disponible [en línea]. . [2] TS-12864A-2 Dot Matrix LCD Module (Graphic Type) Data Sheet. Documento disponible [en línea]. [3] Fig6. Pantalla de inicialización del programa. Luego de la inicialización, se carga el programa principal que consta de algunas animaciones y la visualización de la temperatura y la hora (ver Fig7).

Fig7. Programa principal VII.

CONCLUSIONES

» Existen algunos proyectos excelentes utilizando estas pantallas, pero en la mayoría de los casos la información que brindan sus autores es escasa, aunque esto nos ayuda a generar buenas ideas para empezar a desarrollar nuestros propios diseños. » La información existe en la actualidad sobre el control y manejo de los GLCDs es poca y en algunos casos está incompleta. Así como también tienen poca referencia

Edaboard, Esquema GLCD GDM12864Q con DS89C450 microcontrolador, Foro en línea, LCD grafico para monitorear la PC. Disponible [en línea]. .

[4] Richard Barnett, Embedded C Programming and Atmel AVR, Editorial Thomson, 2nd Edition

PESQUISA DE HARDWARE > PROYECCIÓN DE IMÁGENES ESTROBOSCÓPICAS CON LEDS<

Página 51

Desarrollo y verificación de un modelo matemático para la proyección de imágenes estroboscópicas basadas en tecnología led *Stalin David Jiménez Miranda; Ing. Manuel Fernando Quiñonez Cuenca+ Resumen—Los modelos matemáticos constituyen una representación simbólica del entendimiento que se tiene sobre los fenómenos que ocurren en la naturaleza, sin embargo esos mismos modelos permiten en conjunto con la creatividad humana, entender y predecir el comportamiento de máquinas que aún no existen, ó fenómenos que aún no han sido vistos. A lo largo de este artículo se ofrece una explicación matemática al fenómeno conocido como estroboscopía, pero este mismo concepto se extrapola; con el fin de diseñar un sistema que proyecte imágenes estroboscópicas basadas en tecnología led, para lo cual en primera instancia es necesario desarrollar un modelo matemático que permita predecir el comportamiento del hipotético proyector, y en una siguiente etapa verificar dicho modelo; previa construcción de un proyector experimental, es necesario señalar que a efecto de fabricar el prototipo se diseñan los elementos hardware [de tipo mecánico, electrónico] y software que una vez acoplados proyectan imágenes estroboscópicas cuya apariencia visual permite que dichas imágenes puedan ser consideradas como simulaciones holográficas. I.

OBJETIVO GENERAL

Desarrollar y verificar un modelo matemático para la proyección de imágenes estroboscópicas [mensajes escritos] mediante el uso de tecnología led monocromática, sistemas microprocesados y conceptos de estroboscopia. II.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Analizar matemáticamente el efecto de estroboscopia, en conjunto con las características de velocidad de rotación del sistema, y geometría tanto del proyector como de los caracteres a desplegarse. Diseñar un proyector experimental para la verificación del modelo matemático y el consecuente despliegue de mensajes escritos, mediante el uso de tecnología LED monocromática. Diseñar un editor de mensajes personalizados que se ejecute sobre una plataforma Windows. Emplear el software y hardware necesario que permita una comunicación entre un ordenador ejecutando el SO Windows y una pastilla de memoria que contendrá los datos a proyectar.

III.

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

Existen diversas formas de conseguir un mismo resultado, por ejemplo si deseamos indicarle una imagen a alguien; podemos tomar una fotografía, imprimirla y mostrársela, enviársela vía electrónica para que la mire en su ordenador, transmitirla por televisión, etc.; sin embargo el concepto de bidimensionalidad Proyección de imágenes está presente en todos los medios físicos empleados para que la imagen pueda ser visualizada, dígase una pantalla o una hoja de papel. El proyecto desarrollado da un paso adelante en lo que respecta al aparato matemático y hardware necesario para la implementación de un novedoso soporte físico para visualización de imágenes, basando su funcionamiento en conceptos de estroboscopía [capacidad de la visión para congelar imágenes de objetos en rápido movimiento periódico gracias al uso de luces intermitentes], persistencia retiniana [capacidad de la retina para conservar una imagen por cierto período de tiempo] y un sistema giratorio que en su conjunto; permiten al proyector estroboscópico presentar imágenes con características propias de tridimensionalidad, lo cual aporta una mayor realismo y atractivo visual a aquello que se está presentando. A pesar que el modelo matemático desarrollado es la esencia misma del proyecto, debe anotarse que el dispositivo diseñado para la verificación de dicho modelo, constituye el resultado tangible e interesante de este trabajo, por ello se harán alusiones con mayor énfasis sobre este último aspecto. Haciendo referencia al proyector en sí, debe señalarse que está mentalizado como un brazo giratorio que describe un movimiento circular uniforme, en cuyo borde irá una barra de diodos led, mediante la cual se presentarán imágenes estroboscópicas, el citado brazo mecánico estará acoplado a un motor que proporcionará el giro. Por el hecho de emplear conceptos de estroboscopia; los leds van a encenderse intermitentemente de tal manera que el tiempo que transcurra entre el encendido de una secuencia determinada y su repetición será igual al período de revolución del motor, con este comportamiento del sistema conseguimos congelar una secuencia de encendido, sin embargo debido a la persistencia retiniana; varias secuencias de encendido presentándose muy rápidamente son interpretadas por la vista como si fuese una sola imagen. El sistema ha sido modelado y diseñado específicamente para presentar mensajes escritos con letras pertenecientes al alfabeto latino.

PESQUISA DE HARDWARE > PROYECCIÓN DE IMÁGENES ESTROBOSCÓPICAS CON LEDS<

Página 52

Fig3. Diagrama de bloques del proyector estroboscópico

Fig1. Esbozo del proyector Si bien el proyector estroboscópico es un dispositivo que permite comprobar una teoría matemática, los efectos visuales que ofrece son muy llamativos, lo cual da lugar a aplicaciones de tipo comercial sobre todo en la industria de la publicidad, este proyector de imágenes estroboscópicas ó simulaciones holográficas tiene cabida en lugares tales como centros comerciales, cines, discotecas, y todo sitio donde se necesite publicitar algo, las oportunidades de negocio tras este dispositivo son muy atractivas, sin embargo su uso no únicamente se puede limitar a tales actividades, también tiene cabida dentro del ámbito educativo y de investigación donde el mundo bidimensional de la pizarra puede ser reemplazado por un mundo tridimensional ofrecido a través de este proyector. IV.

METODOLOGÍA

A. Modelamiento matemático El modelo bajo desarrollo y correspondiente al proyector de imágenes estroboscópicas basadas en tecnología led, será válido siempre y cuando se consideren los siguientes supuestos: a) El motor que permite el giro de la plataforma; posee una velocidad angular que no varía considerablemente en el tiempo y en el mejor de los casos es constante. b) Las condiciones para un correcto funcionamiento del motor serán garantizadas de acuerdo a las especificaciones del fabricante. c) El conjunto mecánico motor+plataforma mantiene equilibrio estable. Previo a todo modelamiento es necesario determinar los fenómenos relevantes y susceptibles de ser traducidos a símbolos matemáticos, pero antes de ello se debe tener muy en claro cuál será el trabajo del sistema, analizándolo en profundidad al proyector; se puede detectar lo siguiente:

Para establecer relaciones cuantitativas entre elementos de salida y entrada del sistema; es necesario determinar los componentes relevantes que influyen o influirían en el funcionamiento del mismo, reflexionando sobre los variados aspectos que implica la proyección de imágenes estroboscópicas y muy puntualmente sobre el proyector, se puede concluir que los elementos claves tienen una naturaleza geométrica y temporal. La temporalidad viene inmersa en lo que se refiere al período de rotación de motor y tiempo de intermitencia entre emisiones lumínicas de las unidades led, en tanto que la geometría es propia de la forma que va a tener el proyector así como de los caracteres que va a presentar, específicamente se toman en cuenta el número máximo de caracteres que el proyector podrá desplegar, así como el tamaño y pixelaje de los mismos, a continuación se expone la lista de todos los elementos tomaos en cuenta a la hora de realizar el modelamiento: Ac: ancho de caracter [cm] Apx: ancho del píxel [cm] R : radio del brazo [cm] Nc: número de caracteres [sin dimensión] Npxg: número de píxeles de guarda [sin dimensión] Npxa: número de píxeles de ancho [sin dimensión] Tc: tiempo de caracter [s] Tpx: tiempo de píxel [s] T: período de revolución [s] Una vez establecidas las relaciones matemáticas presentes en el sistema, el resultado es una sola expresión que fusiona elementos geométricos y temporales, considerándola consecuentemente como la ecuación de modelamiento del proyector, la cual se cita a continuación.

T 2R  Tpx Apx

[1]

La ecuación 1 explica que existe una proporcionalidad entre la geometría y temporalidad de los hechos que se llevan a) La entrada al sistema será un mensaje escrito. a cabo en el sistema, la mencionada expresión es un elemenb) La salida del sistema será el mensaje escrito pro- to clave a la hora de diseñar físicamente el proyector, pues yectado como imagen estroboscópica, en otras nos permite saber específicamente el tiempo de intermitencia palabras un mensaje escrito estroboscópico. de los leds ó el radio de giro del proyector, siempre y cuando el número de caracteres y su geometría estén prefijados.

PESQUISA DE HARDWARE > PROYECCIÓN DE IMÁGENES ESTROBOSCÓPICAS CON LEDS< Una vez realizada la tarea de modelamiento el siguiente paso es poner el modelo a prueba; a fin de verificar su validez, para ello es necesario construir un proyector experimental que, cuyo diseño se expone a continuación. B. Diseño hardware El proyector en desarrollo está concebido como un sistema en el que un motor acoplado a un brazo mecánico; gira de tal manera que un array de leds colocado en el borde del brazo se enciende y apaga en secuencias determinadas; que permiten visualizar imágenes estroboscópicas de tipo textual. Es posible intuir que el prototipo a montar debe constar de elementos hardware en primera instancia de naturaleza mecánica [como lo es el motor y el brazo de soporte], sin embargo para manejar el conjunto de leds debe hacerse uso de una plataforma que permita implementar las ecuaciones obtenidas, en vista de ello es necesario utilizar hardware de tipo electrónico que sea flexible en cuanto a sus funciones de cálculo, para este trabajo se adaptan perfectamente los microcontroladores. Tomando en cuenta que el elemento principal de la etapa electrónica será un microcontrolador, surge la imperiosa necesidad de contar con un software diseñado a medida; en cuyas rutinas deben incluirse los resultados numéricos del modelo matemático desarrollado. En lo referente a la parte mecánica se utilizará un motor de corriente alterna con un valor de alimentación de 110v a 60Hz, lo cual según el fabricante permite desarrollar una frecuencia de revolución cercana a las 1500 rpm; que en términos temporales equivale a una vuelta cada 40ms. El brazo que servirá de soporte a la circuitería electrónica será de plástico con la intención de que sea lo más liviano posible para no afectar el torque del motor.

Página 53

El procesamiento del sistema se lleva a cabo en un microcontrolador de 8 bits, el modelo seleccionado pertenece a la casa comercial Microchip y es el PIC 16F628A, este chip lee el mensaje a desplegar; de una unidad de almacenamiento, procesa dicha información y finalmente coloca las secuencias adecuadas en unidades led que están manejadas por uno de los puertos del microcontrolador, el mencionado chip previo a todas las que cumplirá es programado con un software y hardware específicos. El almacenamiento de la información se la hace en una memoria tipo eeprom de modelo 24C16A que permite ser borrada y escrita eléctricamente mediante un protocolo I2C, para tal efecto es necesario disponer de un circuito programador en conjunto con un software programador que se ejecute desde un ordenador capaz de manejar tal protocolo. Para efectuar la programación de la memoria se emplea el software de distribución gratuita llamado Pony prog en conjunto con el elemento hardware adecuado. C. Diseño software El diseño software se enmarca dentro de dos áreas específicas, por un lado es necesario desarrollar un programa para la edición de mensajes y su posterior grabación en una unidad de memoria, pero por otro lado se requiere de la escritura de rutinas para el despliegue de los mensajes deseados en calidad de imágenes estroboscópicas. El algoritmo que se ha diseñado he implementado en el microcontrolador para conseguir que el proyector funcione es el siguiente.

La electrónica del proyector de imágenes está estructurada de tres etapas; que en su conjunto permiten el adecuado funcionamiento de esta parte del sistema.

Fig5. Algoritmo implementado en el microcontrolador. Fig4. Estructura del hardware electrónico. La etapa de alimentación está conformada por un regulador de voltaje positivo a 5 volts y 1 amperio; específicamente el modelo L7805CV, a su salida posee un capacitor a fin de contrarrestar posibles oscilaciones que se pudiesen producir, los 5 volts estabilizados que se obtienen del regulador permiten alimentar las etapas de procesamiento y almacenamiento que requieren un potencial de esta característica.

En cuanto al software de edición de mensajes, su trabajo consiste en recibir el mensaje que se desea desplegar; luego se aplican ciertos filtros para evitar inconsistencias entre lo que se desea presentar y lo que es posible presentar, finalmente guarda un archivo con la extensión que puede ser leída por parte del software programador de la unidad de memoria. El lenguaje de programación seleccionado para la confección de este software es visual basic en su versión 6.0.

PESQUISA DE HARDWARE > PROYECCIÓN DE IMÁGENES ESTROBOSCÓPICAS CON LEDS< V. RESULTADOS

Una vez listo el diseño hardware y software del proyector se han construido 2 modelos experimentales, el primero de ellos con el motivo de evaluar las complicaciones mecánicas del sistema, dicho dispositivo puede ser observado en la siguiente figura.

Página 54

software y hardware desarrollados, es así que en el ordenador se ejecuta un programa que sirve para la edición de mensajes, su interfaz es sencilla pues consta de un área donde escribimos el mensaje que se desea presentar, luego clickeamos en el botón convertir para aplicar algunos filtros al mensaje y finalmente lo guardamos al mensaje con un formato que pueda ser leído por el programa que graba la memoria eeprom.

Fig7. Editor de mensajes personalizados. Fig6. Primer prototipo. El prototipo número dejó en claro que un equilibrioestable del sistema es lo más complicado de lograr, en función de esto se cambió el concepto de brazo como soporte; por el de una barra de plástico acoplada por su centro al eje del motor, con este reemplazo los problemas de equilibrio y estabilidad del sistema prácticamente desaparecieron. Tales modificaciones fueron hechas en un segundo prototipo cuya apariencia puede ser visualizada en la imagen expuesta a continuación.

Una vez que el archivo está listo se lo procede a grabar en la unidad de memoria portátil mediante el software pony prog, acto seguido se enciende el sistema; y el resultado final de toda la investigación se resume en la imagen siguiente donde claramente se puede visualizar la palabra UTPL.

Fig8. Proyector estroboscópico en funcionamiento

Figura 6. Prototipo definitivo. Para las pruebas definitivas se hace uso de los elementos

La figura 8 es elocuente, el modelo matemático es correcto pues los resultados numéricos que ofrecen sus ecuaciones implementados en el microcontrolador, ofrece a la vista las imágenes esperadas, y de apariencia única. VI.

COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN

PESQUISA DE HARDWARE > PROYECCIÓN DE IMÁGENES ESTROBOSCÓPICAS CON LEDS< El costo del proyecto como tal es de 2680 dólares americanos, debiéndose tomar en cuenta que dentro de éste valor está inmerso todo lo que significa hardware (ordenador, instrumentos de medición, componentes electrónicos etc), así como licencias de software y horas de trabajo del recurso humano. Hablando específicamente sobre el prototipo construido su costo bordea los 40 dólares; sin embargo al pensar en este sistema como un producto comercial, el costo de producción se reduciría en al menos un 25%, por cuanto los elementos hardware del sistema serían seleccionados para un trabajo dedicado; y no para tareas experimentales como se lo a hecho ahora. Debe añadirse además que la inversión hecha en el proyecto ha sido dosificada a lo largo de 10 meses, tiempo que ha durado las tareas de investigación, diseño e implementación del proyector. VII.

CONCLUSIONES

» El modelo matemático desarrollado para describir el funcionamiento del proyector de imágenes estroboscópicas es correcto, por cuanto los resultados numéricos de las ecuaciones obtenidas; han sido confirmados con los resultados visuales esperados del proyector experimental; el mismo que fue construido en base a las especificaciones que ofrece el modelo. » El funcionamiento del proyector de imágenes estroboscópicas es satisfactorio, y se basa en el uso de elementos que fueron prefijados, específicamente se está hablando del uso de tecnología led monocromática, sistemas microprocesados y conceptos de estroboscopia, tales elementos en su conjunto ofrecen unas imágenes visualmente atractivas siendo tales despliegues visuales la esencia misma del proyector, dicho dispositivo puede presentar mensajes de hasta 18 letras, cuya circuitería se alimenta con 5 volts continuos y regulados; en tanto que el motor se energiza con 110 volts alternos a 60 Hz. » Los algoritmos diseñados para el funcionamiento del proyector cumplen a cabalidad la tarea para la cual fueron creados, por un lado se encuentra el editor de mensajes que se ejecuta en un ordenador bajo ambiente Windows; y tiene a su cargo la recepción del mensaje; el filtrado del mismo y la exportación de un archivo que es descargado en la unidad de memoria externa, por otro lado está el programa desarrollado para su descarga en el microcontrolador PIC16F628A; que tiene como tarea la lectura de datos de la unidad de memoria y su traslado hacia los registros que manejan las unidades led monocromáticas de color azul; que al encenderse y apagarse en la secuencia determinada permiten la formación de imágenes estroboscópicas.

Página 55 VIII.

RECOMENDACIONES

 Las oportunidades a nivel de negocios ofrecidas por el sistema desarrollado son variadas, consecuentemente es necesario efectuar alianzas con inversionistas o entidades que manejen capital de riesgo, a efecto de conseguir los recursos económicos necesarios para invertir en el mejoramiento del proyector y así convertirlo en un producto comercial.  El modelo desarrollado es un perfecto punto de partida hacia dispositivos mucho más complejos tanto desde el punto de vista electrónico como mecánico. El sistema montado emplea unidades led monocromáticas; específicamente diodos led azules, una mejora al proyector consistiría en la utilización de unidades led RGB las cuales permitirían presentar una amplia gama de colores, esta mejora implica un aumento en la capacidad de procesamiento que se ve traducido en la necesidad de microcontroladores que ejecuten un elevado número de instrucciones por segundo; los cuales específicamente dependerán del algoritmo que se implemente para el manejo de las unidades led y de la optimización que se le haga en función de espacio en memoria y tiempo de ejecución  El proyector construido se encarga de desplegar solamente letras pertenecientes al alfabeto latino, una mejora del sistema consistiría en desplegar no únicamente letras sino gráficos de todo tipo; para ello sería necesario desarrollar algoritmos específicos para el procesamiento de imágenes y su traducción a un lenguaje que pueda entender el sistema de despliegue del proyector.  En cuanto a la mecánica del proyector; sería ideal disponer de un motor mucho más pequeño y una plataforma de radio más grande con el fin de presentar mensajes más extensos, así mismo se debería reducir el tamaño de los PCB‘s, esto puede ser conseguido mediante la utilización de componentes de montaje superficial, la sugerida reducción de tamaño se traduce en una disminución del peso total de la plataforma de giro. REFERENCIAS

[1] Paul Wheeler, Practical cinematography, Focal Press, 2005. [2] Saxby Graham, The science of imaging: an introduction, CRC Press, 2002. [3] Macey Samuel, Encyclopedia of time, Taylor & Francis, 1994. [4] Marshall Cavendish Corporation, Inventors and Inventions, Marshall Cavendish, 2008. [5] Robin Michael, Digital Television Fundamentals: Design and Installation of Video and Audio Systems, McGrawHill Professional, 2000.

PESQUISA DE HARDWARE > OSCILOSCOPIO DIGITAL<

Página 56

Osciloscopio Digital *Marcelo Vicente Ramírez Sánchez; Ing. Manuel Fernando Quiñonez Cuenca+ [email protected] [email protected] Resumen—El presente informe es un extracto del trabajo realizado hasta la fecha en lo que concierne a gestión productiva II, entre las cuales se encuentran el análisis de las características básicas de los osciloscopios, además un resumen completo de los elementos más importantes usados en el diseño básico del osciloscopio digital, entre otros elementos y herramientas utilizadas para el diseño del mismo. Índice de Términos—LCD, microcontrolador, osciloscopio, ATmega32.

E

I.

Una vez estudiado el software para escribir el programa en el micro [1], proseguí con el estudio de la LCD gráfica. Para llegar a conocer su uso es necesario leer el datasheet que se lo puede descargar desde internet. La GLCD que utilicé para el osciloscopio es la TS-12864A-2 (Fig2).

INTRODUCCIÓN

l presente trabajo consiste principalmente en la implementación y optimización de un osciloscopio digital. Para culminar este trabajo con éxito he visto prescindible analizar de una manera minuciosa las herramientas y los componentes que llevan protagonismo en el mismo. Entre los componentes principales está el denominado cerebro, que es el Atmega32, también la interfaz gráfica entre el usuario y los datos ya procesados por el micro como es la LCD Gráfica, entre otros elementos más. Además de analizar estos componentes también he visto la necesidad de recalcar las características básicas que componen a un osciloscopio digital y sus complementos, para así tener una idea clara de la forma en que se puede implementar el proyecto. II.

Tal como consta en el cronograma de trabajo, el primer mes de labor en gestión productiva II lo dediqué al estudio de este software aunque debido a la poca información explícita sobre el uso de este programa no se me hizo impedimento para conocer sus características básicas.

HERRAMIENTAS

Lo primero que se necesita para la programación de un microcontrolador es el software para escribir el código. Para este caso el software para la programación del micro es totalmente gratuito y se puede descargar desde la página principal de Atmel, incluyendo las herramientas para programar en C o C++. El software para escribir el código es el AVRStudio (Fig1), y además es necesario tener instalado el WINAVR, el cual nos servirá para programar nuestro micro en lenguaje C.

Fig1. Ventana principal del software AVRStudio

Fig2. GLCD TS-12864A-2 Ya que es más necesario llegar a conocer su uso que su funcionamiento a continuación detallo las características más importantes que pude rescatar de esta GLCD [2].

PESQUISA DE HARDWARE > OSCILOSCOPIO DIGITAL<

Página 57

Fig3. Distribución de pines del microcontrolador Atmega32

Fig4. Microcontrolador Atmega32 III.

DISEÑO DEL PROTOTIPO

La primera fase del proyecto de gestión productiva II consistió en el armado y el estudio de los elementos principales que llevan el protagonismo en el funcionamiento de este interesante y muy importante dispositivo. El diagrama de bloques del osciloscopio digital básico que he montado se encuentra en la figura 5. Aquí se da a denotar todos los elementos básicos para que funcione el osciloscopio.

El cerebro del proyecto es un microcontrolador Atmega32 de la familia de los AVR‘s, a continuación presento la distribución de sus respectivos pines (Fig3.) [3], y una imagen del micro (Fig4).

Fig5. Diagrama de bloques del osciloscopio digital Generalizando, un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La imagen así obtenida se denomina oscilograma. Suelen incluir otra entrada, llamada ―eje Z‖ que controla la luminosidad del haz, permitiendo resaltar o apagar algunos segmentos de la traza.

PESQUISA DE HARDWARE > OSCILOSCOPIO DIGITAL<

Página 58

Los osciloscopios, clasificados según su funcionamiento interno, pueden ser tanto analógicos como digitales, siendo el resultado mostrado idéntico en cualquiera de los dos casos, en teoría. En un osciloscopio existen, básicamente, dos tipos de controles que son utilizados como reguladores que ajustan la señal de entrada y permiten, consecuentemente, medir en la pantalla y de esta manera se pueden ver la forma de la señal medida por el osciloscopio, esto denominado en forma técnica se puede decir que el osciloscopio sirve para observar la señal que quiera medir. El primer control regula el eje X (horizontal) y aprecia fracciones de tiempo (segundos, milisegundos, microsegundos, etc., según la resolución del aparato). El segundo regula el eje Y (vertical) controlando la tensión de entrada (en Voltios, milivoltios, microvoltios, etc., dependiendo de la resolución del aparato). Estas regulaciones determinan el valor de la escala cuadricular que divide la pantalla, permitiendo saber cuánto representa cada cuadrado de esta para, en consecuencia, conocer el valor de la señal a medir, tanto en tensión como en frecuencia.

Fig6. Armado del osciloscopio digital en Proteus para su correspondiente simulación Además de simular el circuito, Proteus también permite hacer el diseño de la PCB, para realizar este diseño Proteus se enlaza con un software denominado ARES (Figura 7.). Con este programa se simplifica enormemente el armado de las pistas del circuito que vamos a diseñar, basta con colocar en el área de trabajo los componentes del circuito y rutear las pistas.

Esto es básicamente lo que debe realizar un osciloscopio para que sea funcional, pues bien el osciloscopio que ya he armado y probado solo me genera la visualización de la señal entrante, y es por ello que actualmente ya me encuentro trabajando en lo que es la implementación y perfeccionamiento del prototipo, los resultados de este trabajo se los conocerá al final del trabajo de gestión productiva. Como ya explique anteriormente el osciloscopio que he implementado solo me genera la visualización de la señal entrante, y para ello he programado y quemado el microcontrolador Amega32 de la familia de los AVR con el código generado por el AVRStudio, el código en sí consta de lo que es la conversión de una señal analógica a digital, lectura de los pulsadores y potenciómetros, como también el manejo de la LCD gráfica.

Fig7. Diseño del osciloscopio digital en Ares para la construcción de la PCB Aparte de la facilidad que ofrece Ares al momento de diseñar la PCB, también nos brinda la posibilidad de representar la baquelita en 3D (Figura 8), de esta forma podemos estar más seguros del resultado del producto final, y a su vez corregir cualquier tipo de errores futuros al momento de implementar el circuito físico.

Luego procedí con simular los componentes en Proteus para verificar el código de programación y conexiones (Figura 6.). Proteus es un software muy útil al momento de simular diseños de circuitos, debido a que cuenta también con una amplia gama de microcontroladores y componentes electrónicos muy utilizados en la actualidad.

Fig8. Representación en 3D del acabado final del osciloscopio digital

PESQUISA DE HARDWARE > OSCILOSCOPIO DIGITAL<

Página 59

Antes de empezar a armar el circuito en la baquelita, se procedió a probarlo en el protoboard para poder verificar su funcionamiento (Figura 9.), esta prueba nos da la oportunidad de verificar componentes y conexiones, como a su vez nos da una perspectiva más amplia de la ubicación de los componentes para poder reducir dimensiones de tamaño al momento de armar la baquelita Estando ya seguro de que todo el circuito funciona correctamente, se procedió con la implementación del osciloscopio en la baquelita.

Fig11. Diseño final de la baquelita Una vez ya quemada la baquelita, y con las pistas de cobre ya señaladas en los dos lados de las caras, procedí con abrir los agujeros por donde deben soldarse los componentes del circuito, para esto usé un taladro eléctrico con una broca de 1mm. Ya al finalizar con la preparación de la baquelita, empecé a montar y a soldar los componentes (Fig12.).

Fig9. Osciloscopio digital montado en Protoboard Luego de revisar todas las conexiones del circuito y estando seguro de su funcionamiento se procedió con la impresión de las pistas en papel fotográfico (Figura 10.). Hay que tener mucho cuidado al momento de elegir el papel fotográfico correcto, ya si elegimos un incorrecto jamás se podrá transferir las pistas a la baquelita. Fig12. Diseño final de la baquelita con la GLC El método que utilicé para la transferencia de las pistas a la baquelita de cobre fue el método térmico, o sea por transferencia de calor, para lograr esto solo necesité la plancha de mi casa y un poco de paciencia debido a que necesité realizar varios ensayos para lograr el acabado que requería tener la baquelita.

Para finalizar, el dispositivo que he armado hasta el momento (figura 13 y figura 14) básicamente presenta la forma de onda de la señal entrante, y es por eso que es necesario el perfeccionamiento del circuito tanto en software como en hardware para que el osciloscopio pueda ser más funcional y práctico.

Fig10. Impresión de las pistas del osciloscopio digital en papel fotográfico Debido a que el esquema de las pistas se diseñó en dos caras, se tuvo que conseguir una baquelita de dos caras de cobre para poder quemar el diseño. El proceso de quemado no tuvo muchos inconvenientes (Fig11.), todo resulto conforme lo esperado.

Fig13. Diseño final del osciloscopio digital

PESQUISA DE HARDWARE > OSCILOSCOPIO DIGITAL<

Página 60 nuas mientras que los segundos lo hacen con variables discretas. Por ejemplo un tocadiscos es un equipo analógico y un Compact Disc es un equipo digital. Los osciloscopios pueden ser analógicos ó digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla.

Fig14. Osciloscopio digital en funcionamiento IV.

MEJORAMIENTO DEL PROTOTIPO

Actualmente me encuentro trabajando en la programación para el mejoramiento del osciloscopio, para poderle ingresar más funciones y utilidades, luego procederé a rediseñar el hardware con las nuevas implementaciones en software, y de esa forma cumplir con los objetivos propuestos para el trabajo de gestión productiva II. He visto necesario rescatar las características y funcionalidades más importantes en los osciloscopios digitales para tener una percepción más clara del producto final a cual quiero llegar, a continuación las detallo: El osciloscopio es sin duda el equipo más importante en el mundo de las mediciones, para poder caracterizar señales en lo que corresponde a su variación en tensión en dependencia del tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo. Básicamente un osciloscopio cumple con estas funciones:  Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal.  Determinar indirectamente la frecuencia de una señal.  Determinar que parte de la señal es DC y cual AC.  Localizar averías en un circuito.  Medir la fase entre dos señales.  Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo. Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc. Los equipos electrónicos se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros trabajan con variables conti-

Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente) [5]. Se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes: -Ondas senoidales -Ondas cuadradas y rectangulares -Ondas triangulares y en diente de sierra -Pulsos y flancos ó escalones A. Medidas en las formas de onda Periodo y Frecuencia: Si una señal se repite en el tiempo, posee una frecuencia (f). La frecuencia se mide en Hertz (Hz) y es igual al número de veces que la señal se repite en un segundo, es decir, 1Hz equivale a 1 ciclo por segundo. Una señal repetitiva también posee otro parámetro: el periodo, definiéndose como el tiempo que tarda la señal en completar un ciclo. Periodo y frecuencia son recíprocos el uno del otro. Voltaje: Voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Normalmente uno de esos puntos suele ser masa (GND, 0v), pero no siempre, por ejemplo se puede medir el voltaje pico a pico de una señal (Vpp) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y masa. Fase: La fase se puede explicar mucho mejor si consideramos la forma de onda senoidal. La onda senoidal se puede extraer de la circulación de un punto sobre un círculo de 360º. Un ciclo de la señal senoidal abarca los 360º. Cuando se comparan dos señales senoidales de la misma frecuencia puede ocurrir que ambas no estén en fase, o sea, que no coincidan en el tiempo los pasos por puntos equivalentes de

PESQUISA DE HARDWARE > OSCILOSCOPIO DIGITAL< ambas señales. En este caso se dice que ambas señales están desfasadas, pudiéndose medir el desfase con una simple regla de tres: Siendo ‗t‘ el tiempo de retraso entre una señal y otra. [4] V.

CONCLUSIONES

» Para el trabajo referente a gestión productiva II y para presentar el primer avance de este proyecto no solamente he implementado el osciloscopio, sino que también he adquirido nuevos conocimientos en lo que tiene que ver con instrumentación, programación, simulación, manejo de LCD‘s gráficas, diseño de PCB‘s, y muchos otros conocimientos más que se me hacen indispensable saber para culminar con éxito este trabajo. » La primera parte del trabajo tenía como objetivo implementar el osciloscopio digital, el cual fue realizado cabalmente. En cuanto a los objetivos específicos que se han logrado está el estudio de todas las herramientas utilizadas para la programación del microcontrolador, además del diseño del prototipo, simulación y diseño de pcb, debido a que el objetivo final es el mejoramiento y perfeccionamiento del prototipo actualmente me encuentro ya trabajando en lo que tiene que ver con la optimización del software. » El circuito implementado es de bajo costo y factible de implementar debido a que se puede programar el microcontrolador sin mover ni cambiar ningún componente del circuito. El bajo costo y la factibilidad se debe en cuanto a los costos y la disponibilidad de los materiales que fácilmente se los puede conseguir en nuestro medio. » En cuanto a los alcances futuros de este proyecto se le puede incluir una multitud de funcionalidades, para lo cual es recomendado conocer todas las características básicas generales de los osciloscopios. Y es en este aspecto del proyecto en el cual me encuentro trabajando actualmente. REFERENCIAS

[1]

Low speed AVR oscilloscope. Documento disponible [en línea]. http://www.serasidis.gr/circuits/AVR_oscilloscope/ avr_oscilloscope.htm

[2]

TS-12864A-2 Dot Matrix LCD Module (Graphic Type) Data Sheet. Documento disponible [en línea]. http://mohpooria.110mb.com/Ebook/TS12864A2_en.pdf

[3]

ATMEGA 32. Microcontroller with 32K Bytes. Data Sheet. Documento disponible [en línea]. http://

Página 61 www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/ doc2503.pdf> [4] y [5] EL OSCILOSCOPIO. Funcionamiento y características del osciloscopio. Osciloscopios digitales. Tipos de ondas. Documento disponible [en línea]. http:// www.alipso.com/monografias/2559_osciloscopio

PESQUISA DE HARDWARE > RECONOCIMIENTO DE PATRONES DE AUDIO<

Página 62

Diseño de un Sistema para Reconocimiento de Patrones de Audio utilizando Redes Neuronales a través del entorno Matlab 7.7 *Lorena del Cisne León Quiñonez; Ing. Manuel Fernando Quiñones Cuenca+ [email protected] [email protected] Resumen—El desarrollo de sistemas para reconocimiento de patrones es cada vez más común en aplicaciones de seguridad o automatización de procesos, el avance de técnicas de computación como son la redes neuronales y además de la utilización de nuevas herramientas informáticas dan como resultado que se puedan combinar éstas para realizar esta clase de sistemas a un costo que pueda ser accesible para el usuario común. En el presente trabajo se ha desarrollado un sistema de reconocimiento de patrones de voz basados en redes neuronales por medio de la utilización del software científico Matlab. Los resultados fueron realmente satisfactorios, de una vez que este sistema se puede ampliar incluso a otras áreas como es el de reconocimiento de imágenes o aplicaciones en telecomunicaciones. Índice de Términos—redes neuronales, reconocimiento de sistemas, audio, backpropagation, momentum.

E

I.

INTRODUCCIÓN

l presente trabajo, desarrolla un sistema para reconocimiento de patrones de voz, basados en el uso de redes neuronales. La teoría y diseño de las redes neuronales artificiales han avanzado significativamente durante los últimos 20 años [1]. Las redes neurales artificiales durante este periodo han desarrollado una gran importancia sobre todo en el reconocimiento de patrones, razón por la que se utilizará en el desarrollo del presente trabajo. Una Red Neuronal Artificial (RNA) es un modelo de procesamiento de información inspirado en el funcionamiento del sistema nervioso biológico, y de cómo el cerebro procesa la información. Se compone de un gran número de elementos interconectados llamados neuronas que trabajan en conjunto para resolver problemas específicos. La naturaleza no lineal de las redes neuronales, la habilidad de aprender tanto en ambientes supervisados como no supervisados, así como la propiedad de aproximación universal, hacen de esta una de las herramientas más poderosas para el procesamiento y reconocimiento de patrones y sistemas [1].

Por otro lado, el reconocimiento de patrones de voz en informática, es la capacidad que tiene un ordenador o computadora para comprender el lenguaje verbal con el fin de poder recibir comandos y datos de la persona que habla. Se ha desarrollado algunos sistemas que pueden reconocer vocabularios limitados de voz de determinadas personas, pero se ha comprobado que es verdaderamente difícil hacer que un equipo pueda enfrentarse a una gran variedad de modos de pronunciación y de acentos, así como a las diferentes formas en las que se pueden peticiones o afirmaciones [2]. Cinco son los factores que determinan la complejidad del reconocimiento del habla: el locutor, la pronunciación, el vocabulario, la gramática, entorno físico. Las redes neuronales usualmente se usan para el reconocimiento de patrones estáticos, es decir, estáticamente ubican entradas complejas para producir salidas simples. Como una clasificación n-aria de patrones de entrada. En ese sentido, la forma más común de entrenar una red neuronal a través de ese procedimiento es conocido como backpropagation. En el que los pesos de la red son modificados en proporción a su contribución al error observado en las salidas del sistema (relativas a los resultados deseados). Según varios autores, este método es uno de los mejores para aplicaciones de reconocimiento de patrones de voz, específicamente porque las señales de voz son no lineales, y el algoritmo backpropagation se especializa en trabajar con esa clase de datos [3]. II.

ALGORITMO DEL DISEÑO

El algoritmo de backpropagation fue creado por la generalización de la regla de aprendizajes Widrow-Hoff para redes de múltiples capas y funciones de transferencia no lineales diferenciables. Los vectores de entrada y su correspondiente vector objetivo (target) son usados para entrenar la red antes que se pueda aproximar a una función, clasificando los vectores de entrada en una manera aproximada definida por el usuario. El algoritmo estándar backpropagation es del tipo gradiente descendiente, como en la regla de aprendizaje WidrowHoff, en la cual los pesos de la red se mueven a lo largo del gradiente negativo de la función de ejecución. El término

PESQUISA DE HARDWARE > RECONOCIMIENTO DE PATRONES DE AUDIO< backpropagation se refiere a la manera en la cual se computa el gradiente para redes multicapa no lineales [4]. A. Ecuaciones del Algoritmo [5] Para el entrenamiento de la RNA de tres capas se utiliza el algoritmo de entrenamiento backpropagation con momentum. El conjunto de pares de patrones de entrada y salida deseadas (targets) son respectivamente {x1, x2,…, xn} y {t1, t2, …, tn}. Según esta fórmula, q es el número de patrones de salida, y n es el número de patrones de entrada. La salida de cada unidad en la primera capa e intermedias está dada por la ecuación: (1)

Donde: wzji es el peso que interconecta la unidad i de la entrada con la unidad j de la siguiente capa. m es el número de unidades de la capa z. z es el número de la capa actual. θz es la función de transferencia de la capa actual. yz-1z es la salida de la unidad i de la capa anterior, en caso de ser la primera capa este sería el patrón de entrada. La salida de la red en la capa de salida es: (2)

Ahora se verifica la salida de la última capa con la salida deseada para verificar el error en cada unidad: (3) El error en el i-esimo patrón se define como la sumatoria de los errores en cada unidad de salida: (4)

Página 63 Como en las capas ocultas no existe una salida deseada que comparar con la salida de cada unidad se debe traer una parte del error de la capa de salida hacia las capas ocultas, ahora los términos del error en la capa de salida son: (6)

Los términos de error para cada unidad en las capas ocultas son:

(7) Después se procede a actualizar los pesos de la red, primero para la capa de salida, por medio de: (8) Donde la variable α se define como la velocidad de aprendizaje, y su valor varía entre 0 y 1. Ahora para las capas ocultas la actualización será: (9) Es recomendable ir despacio con la velocidad del gradiente, pues si va muy rápido se corre el riesgo de oscilar indefinidamente sin llegar al mínimo de error buscado, y si va muy lento se puede caer en todos los mínimos locales con el riesgo de no poder salir de alguno de ellos. Ahora esta velocidad de controla con la variable α. Por lo general se escogen valores altos de α para aumentar la velocidad de convergencia de la red, pero se tiende a caer en una oscilación infinita por no existir una amortiguación a una velocidad excesiva, el problema de esta oscilación es la inestabilidad del sistema. Un método de evitar esa oscilación es introducir una variable llamada momentum γ, la cual modifica el peso precedente al peso del nuevo cálculo (10)

Estos pasos se repiten para cada patrón del conjunto propuesto. Al final se toma el error cuadrático de entrenamiento, normalizado que es:

La ecuación (10), es el corazón del sistema, la cual será ejecutada finalmente por la aplicación que se detallará en las secciones más adelante.

(5)

Este error generado por la red neuronal se observa como un espacio n-dimensional, donde n es el número de pesos de la red. Ahora lo que se quiere es llegar lo más rápido posible hacia el mínimo absoluto de este espacio, la manera de lograrlo es seguir la dirección contraría del gradiente de la función de error.

Podemos ver el comportamiento del momentum en la ecuación (10) (ver Fig. 1). El valor del momentum está entre 0 y 1, y entre menor sea el valor del momentum la oscilación tiende a disminuir.

PESQUISA DE HARDWARE > RECONOCIMIENTO DE PATRONES DE AUDIO<

Página 64 III.

DISEÑO DEL SISTEMA

La red va a ser diseñada y entrenada para reconocer los dígitos del uno al nueve, ingresados estos por medio de la voz. Para este diseño se ha planteado que el tiempo de duración de grabación de cada una de las muestras debe ser 0.67 s. Se sugiere esta cantidad de tiempo, debido a que es un tiempo razonable para grabar cada uno de los números; además, al ser corta la señal se reduce el número de elementos de entrada de la red neuronal, con su correspondiente ventaja.

Fig1: Espacio de generalización. (A)Para una velocidad de aprendizaje baja. (B) Para una velocidad de aprendizaje alta, se pueden observar las oscilaciones. (C) Para una velocidad de aprendizaje alta con momentum. B. Esquema del algoritmo backpropagation Para tener una mejor apreciación del algoritmo, es necesario mostrar el flujo de trabajo de este a través de diagramas de bloque (ver Fig. 2). En este diagrama se aprecia las entradas a la red, estas entradas deben ser datos formateados de manera correcta; en otras palabras elegidos correctamente y en un número finito razonables, debido a que del número de entradas también dependerá la complejidad de la red neuronal.

Fig2: Diagrama general del algoritmo backpropagation. Los datos de salidas de la red, son el resultado de la misma; la cual se compara con los targets (objetivos). Los targets son las señales deseadas (es decir como quisiéramos que salgan nuestros datos de la red neuronal), de estos dependerá el número de elementos de salida de la red neuronal. Se puede apreciar además un parámetro que dice pesos ajustables, debido a que el algoritmo backpropagation efectivamente ajusta sus pesos para que en cada iteración se reduzca la sumatoria del error cuadrático medio, el mismo que proviene de la resta de los targets y la salida; mientras menor sea el error, quiere decir que la salida de la red se parece más a los targets propuestos; es decir, que con cada época de entrenamiento la red se comporta según nuestros requerimiento.

Fig3: Diagrama general del diseño. A. Pre – procesamiento de la señal de audio Es una de las partes más importantes del diseño, se la puede separar en tres partes: obtención de la señal de voz, la obtención de la señal útil, y finalmente la extracción de valores característicos de la voz. La primera sección de obtención de la señal de voz, se la puede realizar por medio de dos procedimientos, ya sea obtener la señal de voz a través del micrófono y herramientas de Windows, o por medio de la grabación directa en Matlab. La grabación en Matlab tiene la ventaja que se puede establecer el tiempo de grabación, que ya indicamos anteriormente será de 0.67 segundos. Aunque la misma persona grabe exactamente en el mismo tiempo una misma palabra, esta no será exactamente igual, tendrá similitudes pero las diferencias serán notorias, existen varias maneras de representar estas señales, ya sea a través de su trazo en el plano temporal, o por medio de su trazo a través del dominio de frecuencia. Uno de los métodos más utilizados para realizar trazos es por medio del espectrograma, el cual tiene tres variables, tiempo frecuencia e intensidad de sonido [6]. La segunda parte del pre procesamiento es obtención de la señal útil. Se puede escoger entre dos métodos para obtener la señal útil. El primer método, de umbral, es por medio de definir un nivel bajo que será comparado con cada muestra de la señal y si supera este umbral se determina el inicio de la palabra; de igual forma para determinar el final, se define un nivel que al ser superado indica el final de la palabra. Este valor se determina de forma práctica.

PESQUISA DE HARDWARE > RECONOCIMIENTO DE PATRONES DE AUDIO< En el segundo método, cruces por cero, determina un número de cruces por cero mínimos, una amplitud mínima de comienzo de la señal y una amplitud mínima de final de la señal [5]. Entre estos dos métodos se eligió el primero. Cabe destacar que es necesario aplicar esta parte de extracción de la señal útil, para reducir la señal de entrada, ya que hay partes de la grabación que son inútiles, e introducen ruidos; por ejemplo al grabar un número hay partes al inicio de silencio, o el ruido que se hace con los labios al iniciar la locución, al final también puede haber ruidos, como puede ser el del ratón al momento de hacer clic para detener la grabación. A continuación se detalla parte central del código para obtener la señal útil, a través del método del umbral. lo =length(s); for i=14500:1:lo if abs(s(i)) > 0.002 inicio = i; break; end end for i = 1:1:lo-100 if abs(s(lo-i+1))>0.005 final=lo-i-100; break; end end Result=[]; j=1; for i=inicio:1:final Result(j)=s(i); j=j+1; end La tercera parte del pre-procesamiento es la obtención de valores característicos. El objetivo de extraer de la señal de voz, un número determinado de parámetros es que en realidad se realiza una codificación de voz que es la conversión de la señal de voz a una representación digital. Debido a que la señal es analógica, la codificación de voz conlleva un proceso básico de muestreo y cuantificación para conseguir una representación digital. Existen dos métodos el de LPC (Linear Prediction Code) y el de FFT (Fasta Fourier Transform) [7]. En el diseño de este sistema se eligió el sistema FFT, sobre todo por el conocimiento básico del algoritmo, además de por su robustez. A continuación se muestra la parte más pertinente del código. Y1 = wavread('alfa.wav'); %***** TamTrama = 500; % Tamaño de Trama

Página 65 Overlap = 330; % Incremento de trama NumMuestras = length(Y1); % Número de Tramas NumTramas = floor(((NumMuestras - TamTrama) / Overlap) + 1); Begin = 0; i = 1; % *************************************** ****************************** k = 1; for ContNumF = 1 : NumTramas TramaPatron = []; for n = 1 : TamTrama TramaPatron(i) = Y1(n + Begin)*(0.54 -0.46*cos(6.2832*n/TamTrama)); %Enventanado HAMMING i = i + 1; n + Begin; end Begin = Begin + Overlap; i = 1; Y = fft(TramaPatron,1024); Y(1)=[]; kk=abs(Y); power = abs(Y(1:floor(length (Y)/2))).^2; nyquist = 11025/2; freq = (1:length(Y)/2)/(length(Y)/2) *nyquist; for xi = 1 : length(freq) if freq(xi) < 100 | freq(xi) > 5000 power(xi) = 0; end end [Amp, Pos] = max(power); vecF(k) = freq(Pos)/nyquist; k = k + 1; end caracteristicas = vecF'; plot(caracteristicas) Como se mencionó anteriormente; se puede por ejemplo, grabar dos señales con la misma palabra, por el mismo locutor y con el mismo tiempo de duración, e estas no serán exactamente las mismas, aunque compartirán rasgos similares en la codificación, pero será difícil para una persona reconocer las diferencias, entonces es el trabajo de la red neuronal reconocer estos valores característicos del fonema y clasificarlos. A continuación se muestra la gráfica de los valores característicos de la palabra uno, grabada por un mismo usuario.

PESQUISA DE HARDWARE > RECONOCIMIENTO DE PATRONES DE AUDIO<

Página 66 Los parámetros number y targets se cargan en la base de datos, y corresponden, los primeros a los valores característicos de cada uno de los dígitos, con una matriz de 44x1, al combinarse se lograra obtener con los nueve números una matriz de 44x9. Los targets corresponden a una matriz cuadrada de 9x9 correspondientes a las salidas de la red.

Fig4: Dos señales que contienen la palabra uno, aunque tienen similitud en sus datos característicos, difieren la una de la otra. B. Diseño de la red neuronal. El diseño de la red neuronal es el corazón del sistema, se ha realizado una red del tipo feedforward de dos capas (ver Fig. 5), una capa oculta y la capa de salida. Ambas capas están forjadas a través de la función de transferencia tipo logsig, Esta función de transferencia recibe valores de entrada, los cuales pueden oscilar entre más y menos infinito, y restringe la salida a valores entre cero y uno [8] [10]. Esta función es diseñada para tratar con entradas no lineales, ideal para manejar tipos de datos como los de la voz.

Fig5. Arquitectura de la red neuronal.

Para crear la red neuronal se utiliza el comando newff, el cual crea una red neuronal del tipo feedforward con backpropagation, se debe dar como datos de entrada, los numbers y targets, se establece que las funciones de transferencia sean del tipo logsig, y además que la entrena sea una función traingdx, esto se hace para agregar momentum a la red del tipo backpropagation. Para entrenar la red, se utiliza el siguiente código: P = number; T = targets; net.performFcn = 'sse'; net.trainParam.goal = 0.1; net.trainParam.show = 20; net.trainParam.epochs = 5000; net.trainParam.mc = 0.95; [net,tr] = train(net,P,T); El código anterior sirve para entrenar la red sin ruido, es decir con las entradas naturales que se cargan en la base de datos, se ha puesto como objetivo que el error de minimización sea de 0.1. Se ha colocado un tiempo de entrenamiento de 5000 épocas o número de iteraciones, es decir cada una de estas iteraciones va cambiando una a una, el valor de los pesos y bias en la red neuronal.

Se puede ver que la entrada de la red neuronal es de 44 elementos, esta entrada corresponde a los valores característicos que salen de la señal de voz tratada con la FFT, y su salida tiene 9 elementos, los mismos que corresponden a los nueve dígitos con los que se ha cargado la base de datos.

Se debe realizar así mismo un entrenamiento de la red con ruido, con el objetivo que reconozca valores que no sean los de entrada inicial, sino por ejemplo, otros números grabados por otra persona, que tendrán variabilidad en la expresión en el tiempo, pero compartirán rasgos característicos, se utilizó el siguiente código:

La primera capa oculta tienen 10 neuronas, este número se lo obtiene por conjetura y experiencia de entrenar la red. Si la red tiene problemas de aprendizaje, se puede incluir mayor número de neuronas.

netn = net; netn.trainParam.goal = 0.6; netn.trainParam.epochs = 300; T = [targets targets targets targets]; for pass = 1:10 P = [number, number, ... (number + randn(R,Q)*0.1), ... (number + randn(R,Q)*0.2)]; [netn,tr] = train(netn,P,T);end

La inicialización de la red tiene el siguiente código: [number,targets] = andec1; S1 = 10; [R,Q] = size(number); [S2,Q] = size(targets); P = number; net = newff(minmax(P),[S1 S2], {'logsig' 'logsig'},'traingdx');

Tomar en cuenta que se debe entrenar primero la red sin ruido, luego se debe hacer el entrenamiento con ruido, y finalmente regresar a entrenar la red con ruido, con el objetivo de que el reconocimiento de los valores de entrada

PESQUISA DE HARDWARE > RECONOCIMIENTO DE PATRONES DE AUDIO< presentes en la base de datos tengan una reconocimiento 100% seguro, y con aquellos que este contaminados con ruido, tengan una fiabilidad bastante considerable. C. Reconocimiento de patrones Para realizar las pruebas de funcionamiento del sistema se procede a activar el siguiente código: ronin = caracteristicas; A2 = sim(handles.net1,ronin); A2 = compet(A2); answwer = find(compet(A2) == 1) En características se carga la muestra que se quiere comprobar, y luego se simula la red con el comando sim, finalmente se utiliza la función compet para extraer el valor de salida de la red, y de esta manera conocer el valor que ha logrado reconocer la misma. IV.

RESULTADOS DE LA RED

A continuación se muestra los resultados del entrenamiento de la red neuronal:

Página 67 tipo feeforward backpropagation, para alcanzar un error acumulado de 0.1, este valor a pesar que se ha entrenado para 5000 épocas, se ha logrado concretar en tan solo 116 épocas. El resultado final del trabajo (ver Fig.8), se logro sintetizar en un sistema GUI de Matlab. Este sistema funciona de la siguiente manera. Primero se carga la base de datos, es decir se graba los valores característicos que se han obtenido de grabar las muestras de los números que se ingresaron con anterioridad. Después se inicializa la red, que no es otra cosa que crear en si la red neuronal, después se procede a entrenar la red, esto tarda unos segundos mientras se completa el obtener el objetivo planteado de reducir el error acumulado a 0.1, o cuando se complete el numero de épocas de entrenamiento. El tercer paso es el de entrenar la red con ruido, esto tardará un poco más ya que se ha optado con incluir ruido aleatorio, y entrenarla 10 veces para que se obtenga un entrenamiento bastante correcto.

Fig6: Gráfica final del entrenamiento de la red. Posiblemente este gráfico por sí solo no nos pueda revelar nada importante, sin embargo, lo podemos contrastar con el siguiente gráfico (ver Fig.7).

Fig8: Resultados final del trabajo. Fig7: Resultados del entrenamiento de la red sin ruido. Este gráfico nos revela que se ha entrenado la red con una función traingdx, lo cual como mencionamos anteriormente hace que la red sea entrenada con una función del

Una vez que se ha entrenado con ruido la red, se la vuele a entrenar ésta sin ruido nuevamente, para que sea infalible a detectar los valores propios de la base de datos. Luego viene la parte de reconocimiento propio de la red,

PESQUISA DE HARDWARE > RECONOCIMIENTO DE PATRONES DE AUDIO< es decir ingresar la muestra, en la cual el sistema busca una muestra guardada que se quiera reconocer, el siguiente paso es procesar esta señal, y finalmente el sistema pasa a reconocer el sistema. V.

CONCLUSIONES

» Se ha desarrollado un sistema robusto y confiable, el mismo que se basó en la utilización del algoritmo backpropagation con momentum, esto para suavizar las oscilaciones en el aprendizaje del sistema, y no hacer que el mismo caiga en inestabilidades. Como se puede apreciar en los resultados de entrenamiento, la velocidad de aprendizaje es relativamente rápida, incluso el objetivo se cumple siempre sin llegar al límite impuesto a las épocas de entrenamiento. »

También pudimos ver la utilización de la función de transferencia logarítmica sinodal, la misma que es ideal para trabajar con tipos de datos no lineales, como la señal de voz es una señal de la naturaleza, esta por sus características va a ser del tipo no lineal, como se menciono anteriormente, aunque la misma persona grabe la misma palabra, en el mismo lapso de tiempo, esta no va a tener una grafica en el tiempo exactamente igual, por lo que es necesario acudir al preprocesamiento de la señal de voz y extraer los valores característicos, los mismos que serán las entradas a la red neuronal.

» El entrenamiento de la red sin ruido es realmente importante, ya que las variaciones entre señales, aunque tengan características semejantes, no son exactamente iguales, e ahí que estas variaciones, el sistema las toma como ruido, y por ello se ha entrenado para minimizar el ruido, de tal manera que es posible llegar a una fiabilidad del 100% cuando se trata de las muestras de la propia base de datos, y a una fiabilidad bastante alta cuando se trata de señales que no corresponde a la base de datos. » Se puede ampliar el sistema para otras señales que no sean esencialmente numero, esto conllevara sin embargo el incremento en la velocidad de entrenamiento y complejidad de la red neuronal, aumentando el número de capas ocultas, sin embargo, creemos que es totalmente factible realizar esta clase de sistema. VI. AGRADECIMIENTOS

Quisiera hacer un agradecimiento especial, a las personas que han aportado en el desarrollo de este paper. Personas en la red que han colgado sus trabajos y publicaciones, así como a mi tutor Ing. Nelson Piedra, por su apoyo en la realización de este trabajo.

Página 68 REFERENCIAS

[1] Yu Hen Hu (University of Wisconsin), Jen-Neng Hwang (University of Washignton), Handbook of NEURAL NETWORK SIGNAL PROCESSING. [2] BERMUDEZ, J. Bernal. Reconocimiento de Voz y Fonética Acústica. Alfaomega. 2000. J. Tebelskis, ―Speech Recognition using Neural Networks‖, en Carnigie Mellon University, 1995. [3] D.E Rumelhart, G.E. Hinton, and R.J. Williams, "Learning internal representations by error propagation," D.E. Rumelhart and J. McClelland, editors, Parallel Data Processing, Vol.1, Chapter 8, The M.I.T. Press, Cambridge, MA, 1986, pp. 318-362. [4] J. Briceño, tesis “Implementación Hardware en una FPGA de una Red Neuronal Artificial para el Reconocimiento de Patrones de Voz Específicos‖, Universidad Técnica Particular de Loja, Loja 2008. [5] J. Price, Design of an Automatic Speech Recognition System Using Matlab, University of Maryland Eastern Shore, 2005. [6] C. Solano, Codificación de voz y audio, octubre 2002. http://dihana.cps.unizar.es/investigacion/voz/ coderframe.html [7] C. Brindöpke, G. A. Fink, F. Kummert y G. Sagerer, ―A HMM-based recognition system for perceptive relevant pitch movements of spontaneous German speech‖, en Proc. of the 5th International Conference on Spoken Language Processing, Prosody and Emotion 6. 1998. [8] Universidad Tecnológica de Pereira, tutorial de redes neuronales, http://ohm.utp.edu.co/neuronales.htm [9] J. E. Cahn, ―A Computational Memory and Processing Model for Prosody‖, en Proc. of the 5th International Conference on Spoken Language Processing, Prosody and Emotion 2. 1998.

PESQUISA DE HARDWARE > ROBOT HEXÁPODO<

Página 69

Robot Hexápodo *León Diana, Rivera Liliana, Vásquez Santiago; Ing. Manuel F. Quiñones Cuenca+ Resumen—En este documento se realizará una descripción de la implementación y construcción del robot hexápodo. Además se explicara el desarrollo de un algoritmo que permita controlar el movimiento del robot. I.

E

INTRODUCCIÓN

l propósito de la construcción del robot hexápodo, es el diseñar y programar los complejos movimientos que este tipo de robot posee. Como su nombre lo indica el robot hexápodo posee seis patas, las mismas que deben coordinarse entre sí para poder desplazarse a través de una superficie, en un orden y velocidad determinados. He aquí la complejidad de nuestro proyecto, ya que no solamente se incluyen conceptos de programación o ensamblado en hardware, sino también otros como mecánica y física. Como profesionales en formación de la Escuela de Electrónica y telecomunicaciones, tenemos un despertado interés en el diseño y creación de nuevos prototipos, que nos brinden las herramientas necesarias para nuestro futuro ejercicio profesional, pero que a la vez despierten el ingenio y fantasía que todo ser humano lleva consigo. Como sabemos en el mercado uno de estos robots tiene un costo elevado, por lo que otro objetivo de nuestro proyecto fue el realizarlo a un bajo coste y utilizando elementos sencillos que generen el mismo resultado. El prototipo final, cumple con las especificaciones antes mencionadas, y esperamos que este trabajo de un grupo de jóvenes, sea de su interés y nos hagan llegar sus comentarios e impresiones al respecto.

Fig1. Diferentes estructuras de un hexápodo C. Materiales Existen diferentes tipos de materiales para la construcción de las patas del robot hexápodo, por ejemplo el aluminio, el Metra quilato, fibra de carbono, plástico, acero, cobre, madera, los más utilizados son el aluminio y el metra quilato (Fig2).

Fig2 .Diferentes tipos de patas D. Servo motor

II.

ROBOT HEXÁPODO

A. Hexápodo El hexápodo tiene seis patas que se encuentran paralelamente en una estructura metálica o un chasis, estas se mueven de dos en dos, se encuentran regidas por un microcontrolador. Estos robots pueden ser o no complejos, dependen de los grados de movilidad de la patas y de los obstáculos que se encuentren teniendo que dar al robot sensores y aplicaciones de software. B. Estructuras Se los puede clasificar por su grado de complejidad en la construcción de las patas (Fig1).

El servo motor se mueve en diferentes posiciones, se componen de un motor de corriente continua, engranajes, un sensor de posición y electrónica para el control del motor, la mayoría de estos suelen estar limitados a 180º. Se controlan con una onda con una serie de pulsos modulados en anchura de pulsos. El servo puede incorporar acoplado un reductor de velocidad, de manera que obtenemos un motor con un par de giro bastante potente como para poder hacer mover las patas del hexápodo. El servo que utilizamos en nuestro proyecto es el hs-311(Fig3), ya que este tiene un torque elevado y su costo es reducido.

PESQUISA DE HARDWARE > ROBOT HEXÁPODO<

Página 70 en que momento el robot camina hacia delante o cuando empieza a girar a la derecha.

Fig3 Servo Motor HS -311 III.

DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO

Para la realización de este proyecto utilizamos servo motores ya que estos son los que nos permiten realizar el movimiento del robot hexápodo, hemos utilizado dos servo motores que estarán conectados a cada lado del robot hexápodo, es decir un servo por cada par de patas. Se construirá su respectivo cuerpo mecánico, para poder interconectar la patas del hexápodo entre si y estas a su vez conectarlas al microcontrolador, en nuestro caso el Atmega32. También realizaremos un algoritmo en el software Code Visión AVR que permitirá la manipulación de los servos motores (movimiento horario, anti horario, y detenerlos). De igual manera se realizara la simulación en el software Proteus, con este verificaremos si el programa que hemos realizado en Code Visión cumple con requisitos dados por el usuario. IV.

MATERIALES

→ → → → →

3 Servo motores. 1 Microcontrolador – Atmega32. 1 Base metálica 1 Circuito Electrónico (Baquelita) Aluminio Metálico (para la construcción de las patas) → Baterías → Tornillos → Soportes V.

CÓDIGO DEL PROGRAMA

El código del programa fue desarrollado en Code visión AVR, ya que dicho software basado en lenguaje C, y que presenta facilidades para generar el archivo .hex que luego será descargado en la memoria del microcontrolador. VI.

DIAGRAMA DE FLUJO

El siguiente diagrama de flujo (Fig.4), da una breve explicación acerca del movimiento del robot hexápodo, es decir

Fig4. Diagrama de Flujo VII.

ESQUEMA

En la figura de abajo (Fig5) se muestra el esquema del circuito desarrollado en Proteus 7.2., esto nos permite simular los resultados programados anteriormente y cargar el archivo *.hex para hacernos una idea bastante aproximada de cómo funciona nuestro robot.

PESQUISA DE HARDWARE > ROBOT HEXÁPODO<

Página 71 Una cuestión importante en cualquier proyecto es la parte económica. En nuestro caso podemos decir que el costo final del prototipo es elevado, pero como se trata de un proyecto prototipo y con fines académicos esto es justificable, además debemos tomar en cuenta que la parte económica (relación costo-beneficio) sería positiva en el caso de producir dicho prototipo en economía de escala en donde los costos se reducen notablemente. Detalle Motor Servo Hs-311 Diodo LED Switch Estructura metálica Microprocesador ATMEGA 644 Baquelita Papelería e impresiones Batería Otros

QTY

Costo Unit.

Costo total

3 10 1 1

16,5 0,1 0,5 30

49,5 1 0,5 30

1

10

10

1 1 1 1

2 3 4 10

2 3 4 10

COSTO TOTAL DEL PROYECTO Fig5. Esquema Circuital del Robot Una vez programado y simulado nuestro proyecto, la siguiente fase es ir hacia su implementación en hardware real, y para ello hacemos uso del Isis, que nos ayuda a exportar el circuito directamente desde Proteus y generar las pistas necesarias del circuito que conectarán todos los componentes del proyecto final. En la figura siguiente se muestra la disposición final de pistas (Fig6).

Detalle Motor Servo Hs-311 Diodo LED Switch Estructura metálica Microprocesador ATMEGA 644 Baquelita Papelería e impresiones Batería Otros

QTY

Costo Unit.

Costo total

3 10 1 1

16,5 0,1 0,5 30

49,5 1 0,5 30

1

10

10

1 1 1 1

2 3 4 10

2 3 4 10

COSTO TOTAL DEL PROYECTO

IX.

110

110

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

» Hemos desarrollado el algoritmo adecuado que nos permite control los servos y de esta forma mover el robot hexápodo. » Realizamos un prototipo para la implementación del algoritmo del movimiento de un hexápodo.

Fig6. Disposición de pistas del circuito VIII.

ECONÓMICO

» Cuando se elabora la pista del circuito final, es recomendable el ubicar correctamente los dispositivos y pistas con el fin de no tener problemas cuando se suelda todos los componentes a la placa del circuito.

PESQUISA DE HARDWARE > ROBOT HEXÁPODO< REFERENCIAS

[1] Servo Motor Hitec HS 311 Estándar, [en línea], www.robotmexico.com/ index.phppage=shop.product_details&flypage=shop.fl ypage&product_id=42&category_id=10&manufacture r_id=0&option=com_virtuemart&Itemid=54&vmcchk =1&Itemid=54 [2] Robot Hexapodo, [en línea], www.foroselectronica.es/foroselectronica.php [3] Servomotor HS311, [en línea], www.foroselectronica.es/foroselectronica.php http://sketchup.google.es/3dwarehouse/details?mid= 6bab44cbd8a82b7e80c73b110d74d94f [4] Robot Hexápodo: Mecánica, [en línea], www.ucontrol.com.ar/wiki/index.php?title=Robot_h ex%C3%A1podo [5] HEXAPODO CON PIEZAS DE MECCANO, [en línea], www.jvmbots.com/viewtopic.php?t=266

Página 72

SISTEMAS DE CONTROL > DISEÑO DE UN ASCENSOR A ESCALA<

Página 73

Diseño y Funcionamiento de un Ascensor a Escala *Luis Alberto Riofrío Peña; Aldo Vicente Ruiz Vinces; José Franklin Soto Cabrera [email protected] [email protected] [email protected] Marcelo Dávila+ [email protected] Resumen—El presente proyecto consiste en él diseño y construcción de un ascensor a escala. Para el diseño de nuestro circuito electrónico utilizamos compuertas lógicas, sensores magnéticos y un puente H para controlar un servo motor de corriente directa. Índice de Términos—compuertas lógicas, sensores magnéticos, puente H.

E

I.

INTRODUCCIÓN

l ascensor está compuesto de dos partes, una parte electrónica y una mecánica. En lo que corresponde a la sección electrónica, hemos diseñado un circuito con compuertas lógicas que responden al siguiente funcionamiento: la parte central del circuito es un comparador de magnitudes el cual compara una señal que viene del pulsador y la otra que viene de los sensores magnéticos, a su vez este comparador conecta la parte electrónica y la parte mecánica mediante sus salidas que se enlazan con el puente H, dando así el giro del servo motor. Con respecto a la parte mecánica se ha diseñado una maqueta de aluminio con paredes de vidrio y con una base de madera, logrando así una gran estabilidad en el ascensor. II.

ESPECIFICACIONES Y FUNCIONAMIENTO DE CADA ETAPA

Las especificaciones de cada dispositivo para el correcto funcionamiento del ascensor se encuentra detallado a continuación, para ello hemos visto conveniente dividir en cinco etapas todo el sistema electrónico: A. Etapa 1 Los pulsadores básicamente se lo utilizan para generar un pulso el cual activa el temporizador para que este nos dé un alto constante durante cierto tiempo. Los pulsadores sencillamente sirven para llamar al piso al cual queremos que vaya la cabina del ascensor, una vez realizado este pulso, con respecto al temporizador, vamos a utilizar el integrado NE555 que incorpora dentro de él dos comparadores de voltaje, un flip flop, una etapa de salida de corriente, divisor de voltaje resistor y un transistor de descarga. Dadas las condiciones del NE555 hemos visto conveniente el uso de este circuito integrado ya que es un temporizador, lo que me va ayudar a mantener un alto desde el orden de llamada hacia la cabina, para que luego éste sea desactivado con el pulso del sensor que se encuentra en el piso al que sea llamado.

En estos temporizadores hemos utilizado capacitores de 470uF, este valor lo hemos tomado ya que mientras más alto es el valor del capacitor tendremos un pulso constante de mayor tiempo, el cual sobrepasa el tiempo de subida máxima y bajada máxima del ascensor. Las resistencias son aquellas que nos limitan las corrientes y son esenciales para la configuración del temporizador. B. Etapa 2 Dentro de la memoria, decidimos incorporar cuatro flipflops, uno para cada piso; puesto que dentro de su memoria su salida se mantiene tal como su último estado hasta que el pulso de la cabina del ascensor lo haga cambiar de estado. Su funcionamiento se basa de la siguiente manera, esta etapa de almacenamiento se obtiene de la señal de salida que nos da la etapa 3, es decir los sensores magnéticos nos dan un pulso en alto que son almacenados en las compuertas NAND que son las que arman el flip flop, para que luego esta señal sea comparada en el 74LS85 con las salidas del temporizador. C. Etapa 3 Sensores magnéticos son los elementos de detección sensibles que hemos escogido para nuestro proyecto. Su funcionamiento es que cuando exista la presencia de un campo magnético entre las placas, ocasionaran que por medio de inducción magnética en una sola placa haya acumulación de cargas y el sensor me dé un pulso de aviso. Estos sensores lo que hacen es que, cuando este pulso se dé, inmediatamente entra al inversor, seguido por el flip flop el cual su salida va al comparador de magnitud 74LS85 para poder darle las ordenes y sentido de giro al motor. A los sensores les hemos conectado capacitores a tierra y resistencias a voltaje, las cuales están en serie al sensor magnético de la cabina. Sus valores son de 3.3kΩ y capacitancia de 3.3uF. Estos nos ayudan a mantener fijo el pulso deseado por los sensores ya que estos tienen comportamiento similar a un pulsador. Cuando el sensor nos da un pulso en alto tendremos un voltaje de 5V ya que el sensor cierra el circuito y permite el paso del voltaje de alimentación. D. Etapa 4

SISTEMAS DE CONTROL > DISEÑO DE UN ASCENSOR A ESCALA<

Página 74

El comparador que utilizaremos es el 74LS85 cuyas Entradas: A, B y Salidas: A>B, AB (si el número A es mayor que el número B), A=B (si son iguales) y AB, A=B y AB el circuito del motor está dispuesto de tal manera que el motor gire a un sentido y, la ubicación de los diodos me permite cambiar el sentido de giro con la salida del 74LS85 cuando A DISEÑO DE UN ASCENSOR A ESCALA< V.

Página 75

CÁLCULOS MATEMÁTICOS

Cálculos de resistencias y capacitores en el temporizador o circuito integrado NE555: (1) (2) Como necesitamos un pulso en bajo de larga duración, casi constante para que entre al 74LS85, alrededor de unos 4 o 5 minutos, que me aseguren este pulso hasta una próxima llamada; tenemos los siguientes cálculos: (3) tL + tH =T (aproximadamente 5min) Si C=470uF tenemos

Fig2. Simulación del ascensor VII.

PISTAS DEL CIRCUITO (PCB´s)

A. Circuito del ascensor

Este mismo cálculo es para los cuatro temporizadores de los pulsadores de cada piso. VI.

SIMULACIÓN DEL ASCENSOR

Fig3. Pista del circuito en PCB´s B. Circuitos para los displays

SISTEMAS DE CONTROL > DISEÑO DE UN ASCENSOR A ESCALA<

Página 76 » En el diseño del temporizador 555, escoger un capacitor con alta capacidad es esencial para la utilización que le dimos al 555, puesto que de esta manera el capacitor tendrá un mayor tiempo de carga y descarga, que me ayudara a tener un pulso casi constante hasta una próxima llamada; todo esto está justificado en su respectivo cálculo matemático. » En la infraestructura del cableado, como en todo proyecto mientras menos cables se vean mejor es su estética y por eso en nuestra maqueta hicimos el uso de canaletas para tratar de cubrir al máximo los cables, siempre y cuando estén bien etiquetados.

Fig 4. Pista del displays en PCB´S C.

Imagen de la maqueta y circuito del ascensor

» Si por alguna razón la cabina del ascensor es pesada y el motor tiene dificultades al estabilizarse en cada piso, como experiencia propia debemos tratar de ayudar al motor a mantener el peso de la cabina agregando poleas. También debemos tener en consideración que si colocamos rieles para la cabina del ascensor a lo largo de la maqueta lograremos asegurar y fijar más la cabina. » Como sabemos la construcción de un circuito en protoboard y en baquela es muy diferente, es decir en baquela es un poco más complicado, para ello tenemos que tratar de diseñar con calma los circuitos para no obtener pistas tan abruptas, y en el caso de que el circuito sea demasiado extenso debemos dividir el circuito en unos más pequeños y realizar el puenteado entre etapas.

Fig5. Imagen del ascensor a escala VIII.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

» El comparador 74LS85 nos dio resultados óptimos en el ascensor gracias a su sencillez de cableado, rapidez y eficacia. » Para escoger los sensores magnéticos es importante fijarse en las características de cada uno de ellos ya que el campo magnético que producen es muy diferente. Hay que darse cuenta de la histéresis que nos dan, debido a que una gran histéresis produciría una gran sensibilidad y provocaría que el motor pare antes de llegar a cada piso. » Tenemos que obligadamente trucar el servo motor para obtener doble sentido de giro y así obedezca las órdenes de las salidas del comparador 74LS85

SISTEMAS DE CONTROL > CONTROL DE UN INVERNADERO<

Página 77

Control de Variables en un Invernadero *J. A. Guzmán, J. Domínguez, F. R. Obaco; Ing. Marcelo Dávila+ Resumen—El presente proyecto se ha desarrollado en base de los conocimientos adquiridos en la materia de Sistemas Digitales del Programa de IET de la Universidad Técnica Particular de Loja, el proyecto que nos fue designado es aplicado a la Medición de Variables (Temperatura y Humedad) en un Invernadero. Índice de Términos—temperatura, humedad, invernadero, automatización, control. I.

D

INTRODUCCIÓN

ebido a los problemas que existen en un invernadero de no poder controlar dichas variables producidas por la forma que tiene un invernadero. Dichos problemas se han podido solucionar con el avance de la tecnología, para lo cual se ha utilizado sensores para poder medir y controlar estas variables. Nuestro proyecto se ha enfocado a poder controlar la temperatura y la humedad dentro del invernadero, utilizando los diferentes conocimientos en tecnificación de Sistemas Digitales.

Fig1 Diagrama de bloques seguidos para poder controlar las variables en el invernadero III.

DESARROLLO

La temperatura es una magnitud referida a las nociones comunes de calor o frío. Por lo general, un objeto más "caliente" tendrá una temperatura mayor. Físicamente es una magnitud escalar relacionada con la energía interna de un sistema termodinámico. Más específicamente, está relacionada directamente con la parte de la energía interna conocida como "energía sensible", que es la energía asociada a los movimientos de las partículas del sistema, sea en un sentido traslacional, rotacional, o en forma de vibraciones.…[1] Se denomina humedad ambiental a la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Se puede expresar de forma absoluta mediante la humedad absoluta, o de forma relativa mediante la humedad relativa o grado de humedad. [2] II.

DIAGRAMA DE BLOQUES

Fig2 Baquelita terminada del sensor de temperatura y humedad con los materiales antes descritos. IV.

     

TEMPERATURA

LM 35 LM358 Resistencias Potenciómetro Relay ICL 7107

SISTEMAS DE CONTROL > CONTROL DE UN INVERNADERO< A. LM 35 Es un sensor de temperatura en el cual la salida del mismo son variaciones equivalentes a 10mV/ 0C, varía en el rango de 00 hasta 1000C aproximadamente.

Página 78 Es un dispositivo electromecánico, que funciona como un interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos eléctricos independientes. D. ICL 7107

Fig3. LM 35    

Pin1 entrada. Pin2 salida. Pin3 tierra. Su alimentación es de +5V.

B. LM358 Es un Amplificador Operacional dual, o sea que contiene dos amplificadores operacionales, y son multifuncionales, sirven como seguidores de voltaje, comparadores, integradores, etc.

Fig4. LM 358        

Pin1 Salida 1 Pin2 Entrada Inversora 1 Pin3 Entrada no Inversora 1 Pin4 Tierra Pin5 Entrada no Inversora 2 Pin6 Entrada Inversora 2 Pin7 Salida 2 Pin8 Alimentación

C. Relay

Fig6. ICL 7107 Es un Conversor analógico-digital que en sus salidas son las de los displays. Este dispositivo tiene tres etapas: La primera etapa es de estado cero, o sea que es cuando no hay voltaje de excitación. L a segunda etapa es de integración o sea que integra la diferencia de las entradas en alto y en bajo. La tercera etapa es la desintegración de la señal y para mostrar en los displays  Del Pin2 al Pin 18 y del Pin22 al Pin25 salidas para los displays.  Pin26 alimentación de -5V  Pin30 entrada en bajo.  Pin31 entrada en alto  Pin35 voltaje referencial en bajo  Pin36 voltaje referencial en alto El medidor de Temperatura se ha construido en dos etapas los cuales son: 1era. Etapa: El LM 35 da 10mV/0C, por lo cual se toma una temperatura referencial para poder comparar con el LM 358 y con un potenciómetro para ubicar un voltaje referencial a comparar. Utilizamos un potenciómetro de 1k, porque necesitamos controlar y dar una referencia a la comparación; por ejemplo si se quiere comparar con una temperatura de 30 0C, si el sensor mide más de esta referencia da un alto en el comparador para que encienda el actuador o sea al relay y por tanto encienda el ventilador.

Fig5. Relay

2da. Etapa: En esta etapa la salida del comparador de la temperatura referencial y la temperatura que mide el LM 35, va a la entrada en alto del ICL7107, el cual según su Datasheet

SISTEMAS DE CONTROL > CONTROL DE UN INVERNADERO<

Página 79

nos muestra como está configurado.

Fig7. ICL 7107, Conversor analógico – digital (A-D)

Fig9. Salida hacia el ventilador (en este caso un diodo led debido a le falta de un ventilador en el simulador PROTEUS Q.2) Salida del ICL7107 hacia los displays.

Este IC actúa con una entrada en alto de 200mV, o sea como el LM 35 mide de 00 a 1000, da un voltaje de 0V a 1V, pero como este IC necesita 200 mV, en la etapa de comparación nos reduce en 10, por lo tanto ahora nos medirá de la siguiente manera: de 00 (0V) a 1000 (100mV), en la entrada en bajo se la conecta a tierra para que nos muestre solo la medición de la temperatura del sensor, porque lo que muestran los displays es la resta de la entra en alto menos la entrada en bajo.

Básicamente, esta parte no presenta mayor dificultad, ya que lo que debemos de hacer es seleccionar un nivel para la temperatura, recordando que la salida del sensor LM35 (pin 2), es la que va a ser censada, por la entrada inversora del comparador que utilizamos, es decir nuestro LM358.

El circuito del sensor de temperatura del LM 35 es el siguiente:

V.

CÁLCULOS

Teniendo en cuenta que cuando la temperatura sube el nivel que ajustemos, activamos el ventilador. Teniendo en cuenta que utilizamos un comparador de nivel; en la entrada positiva, se van registrando todos los valores proporcionados por el sensor LM35 como variaciones de voltaje, y en la entrada negativa, colocamos un potenciómetro de 1KΩ, el cual me permite ajustar un valor requerido de voltaje, como mi nivel de referencia equivalente. Resalta algo importante, qué pasa si ubico un potenciómetro (resistencia variable) de 5KΩ o 1MΩ.

Fig8. Circuito de Medición de temperatura. Fue simulado en el programa PROTEUS 7.2, como en e programa no hay ventilador le hemos colocado un diodo led, el cual nos indica la forma de cómo va actuar el relé y después como se va a presentar en los displays.

Básicamente, me permite realizar lo mismo, e inclusive con resistencias en el orden de las decenas. Lo que debemos de tener en cuenta es la corriente que va a transitar por tal línea del circuito, ya que esta corriente depende de las resistencias o el potenciómetro que ubiquemos. Esta idea se presenta como producto de analizar que si utilizáramos grandes resistencias, tendríamos corrientes tan bajas, que no nos permitirían una adecuada variación en el nivel de voltaje, es decir, los intervalos de voltaje equivalentes a intervalos en temperatura a los cuales variase nuestro nivel de voltaje si utilizáramos un potenciómetro de 1MΩ por ejemplo, producirían intervalos muy pequeños. Analizando este mismo ejemplo utilizando resistencias muy bajas, tendríamos corrientes tan altas que inclusive superarían la máxima corriente de salida de nuestro sensor de temperatura.

SISTEMAS DE CONTROL > CONTROL DE UN INVERNADERO<

Página 80

De este modo elegimos una resistencia variable moderada, es decir un potenciómetro que a la vez de suministrarme una corriente regular, me permita variar los niveles de voltaje en una manera adecuada y equiparada, y con esto lograr también ajustar mi nivel de temperatura. VI.

     

HUMEDAD

Sensor de Humedad HS1101 Oscilador NE555 Convertidor F/V LM2917 Conversor A/D ICL7107 Amplificadores LM358 Relay

De esta manera, la frecuencia mínima y máxima sería de 1359Hz y 1600Hz, correspondiente a las capacidades de 200pf y 150pf. C. Conversor de Frecuencia a Voltaje Básicamente como su nombre lo dice, me permite tener una salida de 0 a 3 V, de acuerdo a la configuración elegida.

A. Sensor de Humedad HS1101 En realidad este sensor se puede simular como un capacitor variable, en el rango de 150pf a 200pf, así que la humedad será proporcional a estos valores. Fig11. Configuración del conversor

B. Oscilador 555 A este oscilador lo hacemos que trabaje como multivibrador astable. Ya que la salida de este es un tren de pulsos, la frecuencia del mismo depende de la configuración básica del NE555, en donde la frecuencia de salida depende tanto de R1 y R2.

A esta salida le colocamos un seguidor emisor, y a la vez luego de este seguidor emisor realizamos un comparador de voltaje, con e cual podemos ajustar el nivel de comparación ubicando un potenciómetro en la entrada no inversora En la parte de salida, cuando vamos a colocar el actuador, ubicamos una resistencia, luego un transistor y finalmente el relé el cual nos ayuda en la etapa de potencia. También el diodo que colocamos lo utilizamos para que nos elimine el voltaje inducido en el interior del relé cuando se quita la carga. Y también necesitamos un capacitor para eliminar el ruido. Esta etapa del circuito es similar para la parte del sensor de humedad. Nuestro circuito es el siguiente:

Fig10. Integrado NE555a) Pines b) Ondas de salida Así, podemos ver la onda de salida en la grafica anterior con tales valores expuestos en el mismo gráfico. Además la frecuencia de oscilación: (1)

SISTEMAS DE CONTROL > CONTROL DE UN INVERNADERO<

Página 81 Básicamente lo que desarrollamos fue seguir la configuración de un convertidor de frecuencia a voltaje proporcionada por el datasheet del dispositivo, se utilizo la salida del dispositivo una resistencia de 100kΩ, para regular la salida del mismo en el rango de 0 a 3 V. Esta resistencia es muy importante ya que como nos podemos dar cuenta es la corriente de emisor del transistor que se observa.

Fig12. Circuito controlador de humedad y activación de bomba de agua en Proteus VII.

CÁLCULOS

Primeramente, ya que el sensor de humedad HS1101 proporciona una variación de capacitancia en el intervalo de 150pf a 200pf, tenemos que las frecuencias máxima y mínima respectivamente a la que operará nuestro oscilador astable serán de 1600Hz y 1350Hz, de esta manera como la capacidad de este sensor es proporcional a la humedad relativa, tendremos la mayor humedad a 1350 Hz es decir el mayor porcentaje de HR (Humedad relativa), y a 1600Hz, el menor porcentaje de HR.

Fig14. Circuito para salida del conversor de frecuencia Básicamente a partir de esta salida, que es voltaje se bifurca dos caminos, el primero al A/C conversor de ánodo común y también a la comparación de nivel con respecto a la humedad. Bueno, si analizamos la siguiente equivalencia entre HR y voltaje de salida del sensor, vemos que llegando a aproximadamente 3 V, abarcamos alrededor del 90% de la Humedad Relativa. Así que esta es una razón más para tener la salida del LM2917 de 0 a 3 V.

Fig15. Tención de salida del circuito de la Fig14 A. Cálculos para la activación del Relé en ambas etapas

Fig13. Circuito para el sensor de humedad

SISTEMAS DE CONTROL > CONTROL DE UN INVERNADERO<

Página 82 nueva corriente de base con el transistor sobresaturado (2mA), tendremos 2.15KΩ. Finalmente, la resistencia más aproximada colocamos, en nuestro caso, debería de ser de 2KΩ, pero por alguna razón no tuvimos tal valor, recurrimos al valor de 2.2 KΩ. Toda la explicación anterior la resumimos en la siguiente simulación, realizada en el software Proteus. (2)

Fig16. Implementación del circuito del RELÉ

(3)

Bueno, para este cálculo, debemos de considerar teoría de amplificadores utilizando transistores. (4)

Sabemos que de la salido del LM358, tendremos 0 o 5V, de ese modo lo que debemos considerar es la corriente de colector, brindada por el inductor interno del relé, la cual es de alrededor de 20mA.

(5) (6)

De esa manera, consideramos la corriente de base, que es la corriente de colector para el B (beta del transistor). Sabemos que nuestro transistor tiene un B de 200 (2N3904). Así que de esta manera, tendremos una corriente de base de 0.2mA, ya que tenemos (20mA/100). Con tales condiciones, necesito una resistencia necesariamente, para fijar tanto la corriente de base. Así que coloco una resistencia en la base del transistor de 21.5KΩ. Bueno este valor es calculado, de la siguiente manera: resto los 5 V de la salida de mi amplificador operacional LM358 del voltaje base emisor del transistor, y este resultado dividido para la corriente de base. Generalmente, en un diseño como estos se emplea el criterio de diseño que nos recuerda que la Corriente real digámolo así, de base debe ser mayor igual a 10veces la Corriente de Base calculado. Este criterio se presenta ya que al utilizar un R= 21.5KΩ, vamos a mantener lo mínimo que se necesita en la Corriente de base que equivale a 0.2 mA, y no nos funcionaría o dicho de otra manera no se activaría el relé si por alguna razón el voltaje de salida del amplificador operacional disminuye. Mejor dicho, luego se una larga explicación, lo que queremos decir es que debemos situar nuestro cálculo teniendo nuestro transistor sobre la saturación normal, es decir un transistor sobresaturado. De esta manera si nuestra corriente es sobresaturación de base será 10 la corriente de base calculada, tendremos 0.2 mA*10, alrededor de 2mA. Luego la resistencia en la Base será, recalculando, los 4.3 V (lo que se hizo anteriormente Vb-Vbe) divido para la

(7)

También se hace imprescindible mencionar el porqué del capacitor y del diodo. Primeramente, el diodo (1N4007) actúa como un rectificador. Seguidamente, el capacitor nos sirve para eliminar los rizos o picos que siempre se presentan en el encendido de un circuito, los mismos que son conocidos como rebotes. Si analizamos la figura anterior, nos damos cuenta que al inicio o mejor dicho al encendido de un circuito, el voltaje en el inductor rebota brevemente, estos rebotes se encuentran en el rango de los us(micro segundos), poner nuestro capacitor nos permite eliminar estos rebotes producidos por el inductor interior del relé, haciendo que la constante de tiempo del capacitor sea mucho mayor que la duración de tales rebotes. De esta manera lo que se considera es capacitores en los cuales el tiempo en bajo sea considerable con respecto al tiempo de rebote. En nuestro caso ubicamos un Capacitor de 0.1uF. B.

Cálculos de las Etapas de entrada al Conversor Analógico Digital ICL7107

SISTEMAS DE CONTROL > CONTROL DE UN INVERNADERO<

Página 83

Fig18. Circuito del ADC En lo que se refiere a la salida de LM2917 del sensor de humedad, hacemos un seguidor emisor de voltaje, para aislar la corriente de desvío, luego a esta señal la comparamos con un nivel de voltaje el cual es equivalente a un determinado porcentaje de humedad, que es nivel de comparación establecido, por un potenciómetro, escogido también para este caso de 1 KΩ. Esto se aprecia en la figura siguiente. Fig17. Circuito ICL7107 Para esta etapa debemos de tener en cuenta lo siguiente. Como sabemos que lo máximo de voltaje que le puede llegar al ICL7107 es de 200 mV, lo que realizamos es un divisor de voltaje para este valor, proveniente tanto de la salida del sensor de temperatura, como de la salida del Conversor de frecuencia a voltaje del sensor de humedad. En la salida del sensor LM35, como sabemos que queremos registrar la temperatura desde los 0° hasta los 100°, sabemos que vamos a tener una salida de 0Va 1V. Al utilizar una resistencia de 1 MΩ, garantizo que el voltaje que entra a la entrada del A/D ICL7107, no sobrepase los 200mV. De esta manera colocando un potenciómetro de 1 KΩ, en la salida del sensor de temperatura, puedo regular un rango adecuado para la entrada al ICL7107, permitiéndome disminuir este voltaje en tal caso que sea muy elevado, ya que no debe sobrepasar los 200 mV.

Fig19. Circuito seguidor En ambos casos, en la entrada del ICL7107, lo que hacemos es solamente conmutar las señales, y de esta manera nuestro switch muestra ya sea el porcentaje de Humedad y si intercambiamos la señal presionándolo, mostrará la temperatura del ambiente. La configuración para el A/C es por default, además debemos tener en cuenta que este conversor nos da salidas directamente a los displays de 7 segmentos de ánodo común. C. Etapa de potencia

SISTEMAS DE CONTROL > CONTROL DE UN INVERNADERO< VIII.

Página 84

PCB

Se realizó el circuito o PCB, realizado en la herramienta Ares de Proteus Professional,

Fig20. Circuito en vista 3D de Proteus

Fig22. Imágenes del proyecto terminado en el cual se observa su funcionamiento. IX.

MAQUETA

Fig21. PCB para los circuitos de control de humedad y de temperatura respectivamente. Luego del PCB se procedió a quemar la baquelita.

Fig10. Maqueta del invernadero.

SISTEMAS DE CONTROL > CONTROL DE UN INVERNADERO< X.

CONCLUSIONES

» Se concluye que al querer medir y poder controlas las variables de temperatura y humedad en un invernadero, podemos tener ciertos inconvenientes a utilizar ya sean sensores o dispositivos electrónicos, en el momento de armar el circuito. » La simulación es muy diferente al montaje de los circuitos, porque siempre ocurren errores ya sean en los materiales o en el momento de soldarlos en una baquelita. » Cada tipo de sensor tiene su respectiva función en momento de medir, por ejemplo el LM 35 es sensor de tipo ambiental, o sea que mide la temperatura ambiental, el sensor HS1101 es también un sensor tipo ambiental, o sea también mide la humedad que el ambiente tiene, lo cual es muy diferente a un sensor terrestre, el cual mide la humedad que tiene el suelo. » Una de las recomendaciones que damos es primero distinguir los diferentes tipos de sensores y cual es su función y en que medio pueden medir. » Tener un mayor conocimiento en como simular y montar un circuito, y que tipo de dispositivos electrónicos se necesitan, pero sobre todo tener una noción de lo que es Sistemas Digitales. REFERENCIAS

[1] TELEFOMACIÓN LA CORUÑA [En Línea] http:// teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/ fisicaInteractiva/Calor/Temperatura/Temperatura.htm [25/06/2009] [2] ASTRONOMIA [En Línea] www.astromia.com/glosario/humedad.htm [25/06/2009] [3] HUMEDAD RELATIVA http://humedadrelativa.blogalia.com/ [25/06/2009]

Página 85

SISTEMAS DE CONTROL > MEDIDOR DE LONGITUD<

Página 86

Medidor de Longitud Óptico *Marcelo Ramírez, Pablo Cruz, Walter Muñoz; Ing. Marcelo Dávila+ Resumen—El medidor de longitud óptico es capaz de medir la longitud digitalmente de cualquier objeto simétrico, para ello utiliza un par de sensores infrarrojos (IR). El objeto a ser medido es trasladado hacia los sensores IR por medio de una banda transportadora. Durante el proceso de medición se activa un led de alerta y a su vez el contador digital empieza a calcular la longitud del objeto, la longitud se la representa en cm con un dígito decimal. Índice de Términos—astable, Infrarrojo Sensores IR, Oscilador. I.

L

INTRODUCCIÓN

os sensores infrarrojos (IR) deberán estar alineados de forma que el receptor reciba directamente los rayos infrarrojos del transmisor, para que, una vez que pase un objeto entre ellos se corte la recepción del receptor y a su vez se active el oscilador monoestable, cuyo pulso será la señal para que el oscilador astable empiece a generar pulsos que serán cuantificados por medio de los contadores; posteriormente el resultado final será decodificado para ser visualizado en los display‘s correspondientes, este conteo se realiza solamente cuando existe un objeto obstaculizando la recepción del IR receptor. La banda transportadora será la encargada de trasportar los objetos a ser medidos.

Estas etapas fueron diseñadas, simuladas, verificadas en protoboard y por último quemadas en PCB. II.

DETECCIÓN DE OBJETOS

En esta etapa se utiliza sensores infrarrojos (IR). Los sensores están compuestos por fotodiodos, los cuales son semiconductores construidos con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja (ver Fig2). El funcionamiento de transmisor IR debe ser continuo, por lo que simplemente se polariza de manera directa con la fuente de voltaje, claro que debe estar en serie con su respectiva resistencia de protección. Para que el funcionamiento del receptor IR sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. En ausencia de luz exterior generan una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz recibe el nombre de corriente de oscuridad. El diseño del receptor IR puede ser reconfigurado para reducir su tamaño y mejorar su funcionamiento.

En el esquema del proyecto (ver Fig1) representamos las diferentes etapas que tuvimos que diseñar para su correcto funcionamiento.

Fig2. Configuración de los sensores IR transmisor y receptor. A. Contador (oscilador) astable

Estas etapas son:

Este contador se encarga de generar pulsos los cuales serán cuantificados por el contador en décadas y posteriormente representados en los correspondientes display‘s, el diseño de este contador se muestra en la Fig3.

-Detección de los objetos a ser medidas. -Oscilador o contador astable. -Contador y Visualización. -Control del motor de la banda trasportadora.

Los pulsos generados en esta etapa del proyecto tienen una relación directa con la frecuencia y velocidad de la banda transportadora, debido a que este circuito debe estar a la misma frecuencia de la que corre la banda para poder

Fig1. Esquema del medidor de longitud óptico

SISTEMAS DE CONTROL > MEDIDOR DE LONGITUD<

Página 87

El núcleo del contador astable es el muy conocido C.I. display‘s y realizar otra nueva medición. 555, el cual se activa con el pulso monoestable que recibe del receptor IR. Para configurar la frecuencia del contador En la simulación en proteus se utilizó un led para repreastable se colocó un potenciómetro en vez de una resistencia sentar el punto decimal del contador, ya en el armado en el fija, de esta manera, mediante prueba y error se estableció protoboard y en el diseño de la baquelita, se utilizó el led un punto fijo del potenciómetro en donde la frecuencia del del mismo display. contador era igual al de la banda trasportadora.

Fig4. Contador de pulsos con visualización Fig3. Contador astable. Las fórmulas para obtener los valores de las resistencias y del capacitor son las siguientes:

Una vez diseñadas todas las etapas del proyecto, se conectaron entre sí y se pusieron a prueba tanto en simulación utilizando el software PROTEUS (ver Fig5) como en protoboard.

(1) (2) Debido a que T=t1+t2 y F=1/T, basta con tener el valor de la frecuencia con la que recorre la banda para calibrar el contador con respecto a la velocidad de la banda trasportadora. Debido a que nuestro contador representa la longitud medida en dos enteros y un decimal fue necesario diseñar el contador con la frecuencia de la banda multiplicada por 10. Fig5. Simulación del proyecto en Proteus. La etapa del control de la banda trasportadora no fue necesaria, debido a que contábamos con un servomotor truncado y solamente bastó con medir su velocidad cuando estaba en funcionamiento, para medir su velocidad se utilizó la técnica de prueba y error. B. Contador y visualización de la longitud Esta es la etapa final del proyecto, esta etapa recibe los pulsos del contador astable para cuantificarlos, contarlos y visualizarlos. Este circuito (ver imagen No. 4) sólo se activa con los pulsos astables. Esta etapa está compuesta por 3 contadores de pulsos a BCD en décadas, 3 decodificador de BCD a display de 7 segmentos y como es de esperarse 3 display‘s de 7 segmentos para su correspondiente visualización. Además, a este circuito se le instaló un pulsador de reset de los registros de los contadores para poder encerar los

Para comprobar el funcionamiento de los sensores IR se necesitó 2 protoboard, debido a que se necesitaba al transmisor alineado horizontalmente con el receptor (ver Fig6), de tal manera que en el instante en que se interrumpa la transmisión de rayos infrarrojos hacia el receptor este emita una señal de disparo que activaría los contadores, se coloco un led de prueba para verificar esta señal.

SISTEMAS DE CONTROL > MEDIDOR DE LONGITUD<

Página 88 El diseño de la PCB del transmisor (Tx) y receptor (Rx) se encuentra en la Fig 8.

Fig8. Diseño para PCB del transmisor y receptor IR con su visualización en 3D. Después de diseñar los PCB`s de los sensores procedimos a quemarlos en baquelita (ver Fig9).

Fig9. Transmisor y receptor IR en baquelita. Fig6. Sensores IR en protoboard

Para el diseño de las PCB`s de los demás circuitos se procedió de manera similar (ver Fig10).

Luego de verificar el funcionamiento de los sensores IR, se los conectaron con el contador para comprobar que todo el proyecto esté funcionando de manera correcta (ver Fig7).

Fig7. Sensores IR en protoboard III. DISEÑO EN PCB

Para el diseño en PCB se utilizó el software ARES, este programa nos facilitó enormemente la tarea del ruteado de las pistas; además este programa posee una útil función que es la de representar en 3D el acabado final del circuito.

Fig10. Diseño para PCB del contador y visualizador de la longitud.

SISTEMAS DE CONTROL > MEDIDOR DE LONGITUD< IV.

Página 89

ESTRUCTURA DE LA BANDA TRANSPORTADORA

Para la implementación de nuestro proyecto correspondiente a la parte mecánica utilizamos los siguientes materiales: - 4 Rulimanes - 4 Abrazaderas - 1 Polea - 2 ejes de varilla de acero no corrugada - Marco de Hierro - Corosil - Un tablero de Madera - Un Motor DC El marco de hierro va remachado al tablero de madera, las abrazaderas permiten sujetar los 4 rulimanes al marco de hierro puesto que si soldamos directamente el ruliman este se rompería, en los centros de un par de rulimanes colocamos transversalmente los ejes de acero previamente torneados para que logren ingresar en los ejes de los rulimanes, la polea permite comunicar uno de los ejes con el motor DC. La banda de corosil debe estar bien templada a través de los ejes de acero. V.

PROYECTO FINALIZADO Y PUESTO EN FUNCIONAMIENTO

El proyecto se lo finalizó con éxito (ver Fig11), para comprobar su funcionamiento se utilizó bloques de madera medidos previamente, nuestro medidor óptico obtuvo las mismas medidas aproximadas de los bloques (Fig 12). Fig12. Proyecto finalizado y funcionando. VI.

CONCLUSIONES

» Debido a que los sensores IR deben estar alineados horizontalmente es necesario conocer la distancia máxima y mínima a la cual trabajan, porque de no saber estos parámetros en probable que no se logre calibrarlos y más encontrar distancia ideal de separación de los mismos. »

Fig11. Proyecto finalizado.

» Faltaría evaluar el diseño del receptor IR para una posible optimización, debido a que su diseño es experimental y no un estándar de configuración para que este fotodiodo trabaje como receptor infrarrojo. » » Para una mejor medición se debe calibrar bien la velocidad de la banda y la frecuencia del tren de pulsos que serán contabilizados REFERENCIAS

[1] SISTEMAS DIGITALES, Ronald J Tocci, Edit. Prentice Hall

SISTEMAS DE CONTROL > TACÓMETRO DIGITAL<

Página 90

Tacómetro *Vicente Andrés Merino, Leslye Castro, Andrea Jaramillo; Ing. Marcelo Dávila+ [email protected] [email protected] [email protected] [email protected] Resumen—En el presente trabajo vamos explicar el fun- cual detecta cuantas veces pasa para poder enviarlas al concionamiento y diseño de un tacómetro digital. Siendo este tador. [1] trabajo aplicación de los conocimientos impartidos en las clases de la materia de digitales, aplicando configuraciones Tenemos el siguiente circuito simulado en Proteus: del 555, decodificador, divisor de frecuencia, el control de velocidad de un motor en DC, sensor, contador. Índice de Términos—tacómetro, frecuencia, contador, decodificador, divisor de frecuencia, opto acoplador. I.

U

INTRODUCCIÓN

n tacómetro (Del griego, τάχος tachos = velocidad y μέτρον metron = medida) es un dispositivo para medir la velocidad de giro de un eje, la velocidad de giro del motor, se mide en revoluciones por segundo.

Fig.2 Control de velocidad de motor DC Utilizamos un timer con una configuración para variar el ancho de pulso. Estas configuraciones las podemos encontrar en el datasheet del mismo. La señal de salida del 555 (pin3), tenemos un transistor el cual permite amplificar la corriente ya que la que tenemos es muy pequeña aproximadamente de un 1mA. A este motor lo estamos alimentando con una fuente de 9V. Fig.1 Tacómetro digital Para la elaboración de nuestro tacómetro digital Fig.1 de este dispositivo se usan: configuraciones con el dispositivo 555 de esta manera se realiza un clock y un temporizador. Con el 4017 se realiza la división de la frecuencia, el MC14553 es el contador y el CD4543 es el decodificador de BCD a 7 segmentos. Los componentes como resistencia y capacitores se obtienen a través de cálculos y algunos vienen predeterminados por configuraciones especificadas en los datasheets de los diferentes componentes. II.

Para esto hemos utilizado los siguientes materiales: Timer 555 Motor (3) 1N4148 1N4007 TIP31C Potenciómetro 50K RESISTENCIA 1kΩ 3.3kΩ CAPACITORES (3) 0,1 uF (1) 1uF

CONTROL DE VELOCIDAD DEL MOTOR (PWM)

Empezamos por el controlador de velocidad del motor en el cual hemos utilizado un Timer 555 con su respectiva configuración, además un potenciómetro para aumentar el ancho del pulso, lo que hace que el motor aumente o disminuya la velocidad. La rueda la pasamos por el sensor, el

A. Cálculos (Control de velocidad del motor) Con la máxima resistencia (potenciómetro al 100% es decir 50KΩ):[2]

SISTEMAS DE CONTROL > TACÓMETRO DIGITAL<

Página 91

(1) (2)

(3)

(4)

(5)

Con la mínima resistencia:

Fig.3 Circuito del sensor Para el sensor hemos utilizado un optoacoplador que es un sensor de infrarrojo. Este se mantiene en bajo hasta que pase por el sensor la rueda, en este caso nos da un pulso, la salida de este sensor lo amplificamos ya que la corriente que tenemos es muy baja, luego esta salida la enviamos al clock del contador que es el pin 12. Para esto hemos utilizado los siguientes materiales: Resistencias: 270, 10k, 2.2kΩ Optoacoplador Transistor 3904 C. Cálculos para el sensor El emisor necesita I≥20mA como alimentamos con 9 V tenemos la siguiente ecuación

Rled 

9  1.5 25mA (6)

Para el receptor necesitamos una corriente de baja magnitud 9  1.5 (7) Rled  1mA

B. Circuito del sensor (optoacoplador)

Se necesita una corriente amplificada para el clock del contador

III.

DIVISOR DE FRECUENCIA

La parte fundamental del circuito esta en este circuito ya que permite tomar en 1s los pulsos ingresados por el sensor.

SISTEMAS DE CONTROL > TACÓMETRO DIGITAL<

Página 92

Para la resistencia que va en VCC del 555. Dado que tenemos una alimentación de 9V y una corriente de 10mA.

Fig4 Divisor de frecuencia Utilizamos la configuración del 555 para una determinada frecuencia, la misma que la vamos a dividir gracias al 4017, escogemos el pin 6 para que la frecuencia del 555 se divida para 7 y asi mismo el pin 9 que divide en 8 la frecuencia, esta salidas las conectamos al contador: la salida del pin6 conectamos al PIN 10 del contador que es activado en bajos, este le ingresa el pulso de 1s, y el pin 9 al pin 13 del contador que permite resetear. Entonces a lo que ingresa al contador la entrada del clock, por la salida del pin 6 que es 1s, toma las vueltas que da la rueda durante ese segundo. El reset como su nombre lo dice lo resetea después de que carga las revoluciones, pero esto como es a un tiempo muy rápido no lo podemos observar. Para esto hemos utilizado los siguientes materiales:  555  4017  Resitencias: 1K Ω,4.7kΩ, 22kΩ  Capacitores: 10uF,1uF,10nF  Potenciómetro de precisión A. Cálculos para el divisor de frecuencia Utilizamos la configuración de un 555 como temporizador:

Dado que utilizamos un divisor de frecuencia conectado en el pin 6, la frecuencia establecida anteriormente se la divide para 7: (8)

IV.

CONTADOR

Para poder empezar el contador (Fig.4) debe estar funcionando, contando desde 0 al 999 ya que tenemos tres displays. Las resistencias utilizadas son para protección del LCD ya que estos están formados por diodos y al conectarles directamente los podemos quemar, por eso utilizamos resistencias de 330 Ω para proteger.

SISTEMAS DE CONTROL > TACÓMETRO DIGITAL<

Página 93 Así tenemos todo el circuito del tacómetro digital Fig6.

Fig4. Circuito del Contador Utilizamos también 3 transistores 2n3906 que sirven para habilitar los displays. A todo el circuito lo estamos alimentando con 9V. Para esto hemos utilizado los siguientes materiales:  MC14553  CD4543  3 display  (3) 2n3906 RESISTENCIA 

(7) 330Ω

Para poder pasar el circuito a una baquela utilizamos el programa PCB Wizard, en este copiamos nuestro circuito y luego vamos a tener el camino del circuito para poderlo pasar al mismo.

CAPACITORES 

Fig6. Circuito del tacómetro

(3) I nF

A. Cálculos decodificador Para calcular el valor de las resistencias que están entre el decodificador y los displays tomamos en cuenta que estos se activan con una corriente de 10mA y tiene un voltaje de 2.7V. Entonces como alimentamos con 5V, Hacemos una diferencia de 5 – 2.7 y obtenemos 2.3 10mA R  230 R

Elegimos la resistencia de 330Ω

Fig7. Parte inferior de la baquelita para displays

SISTEMAS DE CONTROL > TACÓMETRO DIGITAL<

Página 94 V.

Fig8. Baquelita de los displays 3D

CONCLUSIONES

» El presente trabajo nos permitió diseñar un circuito capaz de contar las revoluciones por segundo de un motor (el motor es controlado mediante una configuración de un 555 para el control de ancho de pulso). El proceso comienza cuando empieza a girar la rueda ubicada en el motor, tal acción es tomada por el sensor el mismo que envía un alto o bajo, cuando el infrarrojo es truncado por la presencia de un objeto. Esta señal es enviada al clock del contador; Para conocer cuantas revoluciones por segundo hemos configurado un divisor de frecuencia. Tomando dos salidas del mismo las cuales van al lach del contador (1Hz de salida)y la otra al reset permitiendo que cada segundo tome las revoluciones y después de de 1.14 segundos se resetee, este proceso es imperceptible al ojo humano. Todos estos pulsos son ingresador al contador, el cual envía al decodificador y así podemos observar en los display las revoluciones del motor. » Esto se observa a menudo en los carros, ya que tienen un tacómetro ya sea digital o analógico para saber a que velocidad va el motor. Nuestro circuito permite conocer hasta 999 revoluciones por segundo. VI.

RECOMENDACIONES

Al realizar el circuito se debe tener en cuenta:  Medir la continuidad en todos los puntos del circuito para asegurar el funcionamiento del mismo.  Verificar que los componentes sean los adecuados. Por ejemplo una de nuestras dificultadas fue al momento de encender los display ya que hemos comprado cátodo común y no ánodo común, el cual no permitía funcionar el circuito ya que la alimentación y el decodificador no eran los correctos. Fig9. Esquema del circuito en la baquelita 3D

 Conocer los datasheet de cada componente para evitar malas conexiones, en este caso la mala ubicación de los pines de un transistor no permitía la polarización del mismo. Y asi mismo en cada datasheet venía especificado como podríamos realizar los diferentes circuitos como es el caso de un 555 para mover un motor en PWM.  Cuando armamos en el protoboard asegurarse que los cables hagan contacto ya que por eso no podría funcionar el circuito.  Verificar las polaridades de los componentes como: capacitores, alimentación, motor, etc.

Fig10. Parte inferior de la baquelita del circuito

SISTEMAS DE CONTROL > TACÓMETRO DIGITAL<  Verificar las polaridades de los componentes como: capacitores, alimentación, motor, etc.  Tratar que las herramientas sean de buena calidad, así por ejemplo sugerimos que el cautín tenga punta de acero dado que evita la formación de grumos durante la soldadura.  Al momento de pasar el circuito a baquela tomar en cuenta todos los puentes que existen. REFERENCIAS

[1] Sistemas digitales-Ronald J. Tocci [2] www.unicrom.com [3] www.datasheet.com [4] Revistas Spectrum

Página 95

ACADEMIA SIEMENS > CONTROL DE PUERTAS<

Página 96

Control de puertas: Mando de un portón industrial *Ángel Ordoñez PROBLEMA PLANTEADO Para el ingreso a los terrenos de una empresa comúnmente se encuentran cerrados por un portón corredizo. Éste sólo se abre cuando deban entrar o salir vehículos del terreno. El objetivo es manejar el sistema para abrir y cerrar la compuerta mediante controles, además se encenderá una luz de advertencia cuando la puerta se esté cerrando, esto para evitar la lesión de alguna persona y evitar que se dañen o queden aprisionados objetos.

En esta práctica se utiliza dos funciones especiales las cuales son: Retardo a la conexión

Para mejorar la seguridad de las personas u objetos que pasen se colocará un sensor en la puerta el cual detectará si mientras se cierra se topo con algo, en ese caso usando esta señal se detendrá automáticamente todo el sistema que controla el movimiento de la puerta.

Con la ayuda de esta función tenemos la posibilidad de retener una señal por un periodo de tiempo parametrizable (en segundos, minutos y hasta en horas según nuestra configuración), luego del cual se le permitirá la salida.

SOLUCIÓN CON LOGO! Se dispondrá de tres señales de entrada, I1, que es la señal de control para abrir la compuerta, I2 es la señal de control para cerrar la puerta. por último I3 que representa el sensor que se encuentra en la puerta. El funcionamiento de la compuerta en si es simple al accionarse la entrada I1 el portón empezará a abrirse, posterior a esto cuando se quiera empezar el cierre del portón, al activar I2 se encenderá una luz de advertencia que indica que el portón comenzará a cerrarse, esta advertencia se encenderá 5 segundos antes de que el mecanismo de cerrado comience y se mantendrá hasta terminar con el cierre completo de la compuerta. Finalmente, la entrada I3 corresponde al sensor, cuando se active el mismo nos está indicando que algo se atravesó en el cerrado de la puerta por lo cual se detendrá automáticamente todo el sistema. COMPONENTES UTILIZADOS: 1. LOGO! 230R. 2. I1 Pulsador de control/ ABRIR. 3. I2 Pulsador de control/ CERRAR 4. I3 Sensor. 5. Q1 Indicador de advertencia (cerrando compuerta). 6. Q2 Abriendo compuerta. 7. Q3 Cerrando compuerta. FUNCIONES ESPECIALES

Relé autoenclavador

Esta función nos ayuda a poner en cero una señal. Cuando ingresa una señal en la entrada S activa la salida Q sin ninguna variación, cuando la entrada R ingresa una señal esta realiza una función de reset y pone en cero la salida Q.

ACADEMIA SIEMENS > CONTROL DE PUERTAS<

Página 97

IMPLEMENTACIÓN EN LOGO! A continuación se describirá todos los pasos que se deben seguir para realizar la simulación en LOGO!: 1. Para iniciar con la simulación, primeramente procedemos a ejecutar el programa LOGO!Soft en nuestro escritorio 6. Conectamos directamente la entrada I3 a la salida Q1 que es la advertencia de que la compuerta empezará a cerrarse.

2. Luego seleccionamos un nuevo diagrama.

7. Ingresamos un retardo a la conexión de 5 segundos, para que cuando pase este tiempo comience el proceso de cerrar la compuerta.

3. Llenamos la ventana de propiedades aceptamos y ya nos ubicamos en el esquema eléctrico:

4. Colocamos nuestras las dos principales entradas de control I1 abrir, I2 cerrar.

5. Colocamos la entrada I3 que corresponde al sensor.

8. Implementamos el relé autoenclavador que condicionará la salida Q3 ya que si se activa la salida se pone en cero.

9. Por último, la entrada I1 que corresponde a la señal de abrir se la conecta directamente con la salida Q2.

ACADEMIA SIEMENS > CONTROL DE PUERTAS<

Página 98

Listo! podemos empezar a comprobar nuestra simulación, en la cual podemos ir variando los pulsos a las tres entradas:

PC → LOGO Luego de comprobar su funcionamiento procedemos a cargarlo en LOGO donde los switchs 1,2, y 3 funcionarán como nuestras entradas I1, I2, e I3, y los leds 1, 2, y 3 serán nuestras salidas Q1, Q2, y Q3.

así queda nuestro circuito:

Circuito Terminado

EVENTOS EET-UTPL >IEEE-UTPL<

Página 99

CASA ABIERTA 2009 IEEE – UTPL La Universidad Técnica Particular de Loja se prepara para recibir a toda la ciudadanía lojana en el nuevo periodo académico Septiembre 2009 - Febrero 2010 y destina una semana entera a la difusión de su infraestructura, su capacidad y sus carreras con el finalidad que decidan por una oferta académica apropiada para su futuro profesional. Esta es la oportunidad perfecta para difundir a los nuevos jóvenes las ventajas, oportunidades y los beneficios de involucrarse a la Rama Estudiantil IEEE – UTPL como plataforma para complementar e incrementar su formación como nuevos estudiantes de una carrera universitaria. Los voluntarios de la Rama Estudiantil IEEE – UTPL colaboraron durante toda esta semana, distribuyendo información, crípticos, revistas gratuitas y recuerdos de IEEE para las personas que tenían un especial interés en las actividades de la Rama. Los grupos como WIE (Women in Engineering), los miembros de las sociedad de Computación y Comunicación también aportaron con asesoría sobre los beneficios de pertenecer a dichos grupos y sociedades como plus dentro de la membrecía de IEEE.

Elaborado por: Eduardo A. Suárez Rosales PRESIDENTE Rama Estudiantil IEEE-UTPL [email protected] [email protected]

EVENTOS EET-UTPL >IEEE-UTPL<

Página 100

PROGRAMA DE INDUCCIÓN STAR El programa de inducción STAR (Student-Teacher and Research Engineer/Scientist Program) perteneciente al grupo de afinidad WIE (Women in Engineering) tiene la finalidad de motivar a jóvenes de educación media a enrolarse en los campos de la ciencia, matemática e ingeniería, como una alternativa a las carreras universitarias tradicionales. Es por esto que WIE capítulo Loja, la Rama Estudiantil IEEE – UTPL y el Computer Society unen esfuerzos para desarrollar el programa de inducción profesional STAR con el tema Web 2.0: Herramientas Interactivas, con la finalidad de capacitar a jóvenes estudiantes sobre el uso y ventajas de herramientas como: youtube, flicker, slideshare, del.icio.us, en sus estudios e investigaciones estudiantiles. El día lunes 27 de abril del 2009 en el Aula Magna de la Universidad Técnica Particular de Loja, con la presencia de 100 alumnas del Colegio Tecnológico Experimental ―Beatriz Cueva de Ayora‖ se dio realizó la inauguración del programa STAR con las siguientes intervenciones:  La Srta. Viviana Apolo, presidenta de WIE capítulo Loja, dio la bienvenida a las participantes del programa e hizo una breve reseña de la finalidad de WIE, sus actividades y sus proyectos a futuro.  La Ing. Samantha Cueva, miembro del grupo de Gestión del Conocimiento de la UTPL, realizó una charla motivacional acerca de la incursión de la mujer en las carreras de ingeniería y cuál ha sido su experiencia con las nuevas herramientas de la Web 2.0.  El Sr. Eduardo Suárez, presidente de la Rama Estudiantil IEEE – UTPL realizó una dinámica participativa sobre los beneficios y ventajas de IEEE, y tocó el tema sobre roll de la mujer a través del tiempo y su proyección al futuro apoyado en un video preparado para la ocasión.

Los talleres sobre Web 2.0 son dirigidos por los voluntarios del COMPUTER SOCIETY y serán impartidos desde el 27 hasta el 29 de abril del año en curso en las salas de cómputo de la Universidad Técnica Particular de Loja en el edificio de UPSI con una duración de 5 horas diarias. A estos talleres de formación asistirán más de 300 alumnas en total y se distribuirán en 3 salas simultáneas de manera que una alumna por computador se pueda capacitar. Con este evento es la segunda entidad de educación media que recibe el programa de inducción STAR en este año, anteriormente participaron las jóvenes del Colegio Experimental ―Pio Jaramillo Alvarado‖.

EVENTOS EET-UTPL >IEEE-UTPL<

Página 101

Eduardo A. Suárez Rosales PRESIDENTE RAMA ESTUDIANTIL IEEE – UTPL [email protected] [email protected]

EVENTOS EET-UTPL >IEEE-UTPL<

Página 102

MUJERES DEL SIGLO XXI En el mes dedicado a la mujer, WIE (Women in Engineering) capítulo UTPL y la Rama Estudiantil IEEE rinden homenaje al labor, al esfuerzo y a la constancia a través del ciclo de charlas con el tema ―Mujeres del siglo XXI‖. Cueva de Ayora‖, la Unidad Educativa ―San Francisco de Asís‖, el Colegio Iberoamericano, el Colegio Experimental ―Pio Jaramillo Alvarado‖ y la Unidad Educativa ―Santa Mariana de Jesús‖. Mediante videos acerca de IEEE, WIE y la Rama Estudiantil IEEE – UTPL se reconoció el papel de la mujer en este siglo y los logros de épocas pasadas, con la finalidad de crear espacios para el intercambio de experiencias y motivar a la juventud a optar por nuevas propuestas estudiantiles. El día viernes 20 de marzo del 2009 en el Centro de Convenciones de la Universidad Técnica Particular de Loja se llevó a cabo el ciclo de charlas con el tema ―Mujeres del Siglo XXI‖ con la finalidad de dar a conocer a la ciudadanía lojana y en especial a los y las jóvenes de educación media, el importante roll que está desempeñando la mujer en diferentes ámbitos de la sociedad como en la investigación, la educación, la medicina, la cultura y la tecnología. Dentro de las exposiciones podemos recalcar los temas de: 1. La mujer y su roll en el ámbito de la Biotecnología a cargo de la Ing. Nataly Bailón, directora del Centro de Desarrollo Celular y Molecular de la UTPL. 2. Ciencia y Tecnología: Un nuevo reto, que mediante una videoconferencia desde la ciudad de Quito la Dra. María expuso su temática desde su visión como directora de la Fundación Telemedicina Ecuador y directora de Servicios Médicos del Hospital de los Valles, Quito - Ecuador 3. Educación, motivación e ingeniería, a cargo de la Ing. María Chiok Guerra, Coordinadora del Grupo de Afinidad WIE en Latinoamérica y el Caribe (R9) y directora del Centro Internacional de Tecnologías, Desarrollo Empresarial y Liderazgo CITDEL, Lima - Perú 4. Mujeres líderes en el mundo global, tema que fue expuesto por la Arq. Inés Pazmiño Gavilanes, Directora del Instituto Nacional de Patrimonio Cultural del Ecuador. En este evento, participaron más de 400 asistentes entre estudiantes y profesionales de diferentes centro educativos como el Instituto Superior Tecnológico ―Daniel Álvarez Burneo‖ (ISTDAB), el Colegio Experimental ―‖Beatriz Cueva de Ayora‖, la Unidad Educativa ―San Francisco de Asís‖, el Colegio Iberoamericano, el Colegio Experimental ―Pio Jaramillo Alvarado‖ y la Unidad Educativa ―Santa Mariana de Jesús‖. Mediante videos acerca de IEEE, WIE y la Rama Estudiantil IEEE – UTPL se reconoció el papel de la mujer en este siglo y los logros de épocas pasadas, con la finalidad de crear espacios para el intercambio de experiencias y motivar a la juventud a optar por nuevas propuestas estudiantiles.

A continuación podemos apreciar algunas fotos del evento:

EVENTOS EET-UTPL >IEEE-UTPL<

Página 103

Eduardo A. Suárez Rosales PRESIDENTE RAMA ESTUDIANTIL IEEE – UTPL [email protected] [email protected]

EVENTOS EET-UTPL >IEEE-UTPL<

Página 104

CONCURSO DE DISEÑO EXPERIMENTAL DE FÍSICA El 29 de mayo del 2009 previo a la V Edición de la Feria de Ciencia Recreativa se realizo el Concurso de Diseño Experimenta de Física, cuyo propósito es dar una motivación a los profesionales en formación de la Universidad Técnica Particular de Loja (UTPL) a desarrollar proyectos que involucren varios aspectos importantes que caracterizan a un producto tecnológico y en este caso experimentos dirigidos a pedagogía infantil. Sin embargo la innovación tecnológica no solamente se halla valorada por la eficiencia de un producto sino también la influencia del mismo sobre el medio ambiente y su protección, partiendo desde el mismo hecho de que la materia prima para la elaboración de los proyectos presentados en este concurso deberían ser reciclables como un aporte a la conservación del medio ambiente. Se presentaron alrededor de 23 proyectos con temas tan variados como prototipos de radios sin pilas, proyector de imágenes con material reciclado, guitarras eléctricas caseras, generadores eléctricos, robots seguidores de líneas, carros de juguete controlado por computadora, medidores de pulso, etc. Los tres primeros lugares recibieron premios de los auspiciantes del evento como National Instruments y Telconet S.A. de manera que la empresa privada también prestó su apoyo al concurso organizado por la Rama IEEE-UTPL, confiando en jóvenes emprendedores con ideas y proyectos nuevos.

Ilustración1. Organizadores y proyectos ganadores

EVENTOS EET-UTPL >IEEE-UTPL<

Página 105

Ilustración2. Presentación de Proyectos

Ilustración3. Proyecto ganador basado en materiales reciclables Cristian J. León Guarnizo [email protected] Eduardo A. Suárez Rosales [email protected]

EVENTOS EET-UTPL >IEEE-UTPL<

Página 106

V FERIA DE FÍSICA RECREATIVA El día lunes 1 de junio, la Rama Estudiantil IEEE de la Universidad Técnica Particular de Loja (UTPL) llevo a cabo por quinta ocasión, la actividad denominada Feria de Física Recreativa. Esta actividad tiene como finalidad la celebración del día internacional del niño, y, además el informar y crear espacios para que nuestra universidad a través de sus profesionales en formación den a conocer a la sociedad los proyectos que se realizan en la Escuela de Electrónica y Telecomunicaciones. Este evento vincula a la niñez con el desarrollo de la ciencia y tecnología, sembrando en ella una semillita de curiosidad por la física aplicada en experimentos y demostraciones con el propósito de preparar próximas generaciones con futuros ingenieros. Para la realización de este evento se contó con el apoyo de la empresa pública y privada, la Reina de Loja en conjunto con el Centro de Apoyo Social y Municipal de Loja (CASMUL) y los centros educativos secundarios de la localidad los mismos que presentaron proyectos de física, química, mecánica y robótica, todos ellos enfocados en pedagogía infantil. En este día el propósito marcado y cumplido por IEEE y demás colaboradores; fue regalar a la niñez en su día, un espacio para el entretenimiento y diversión, un espacio para el arte, la música y la ciencia; el ambiente ideal para el desarrollo de las jóvenes mentes lojanas, de cuya evolución estamos seguros surgirán los proyectos y las ideas que enrumben a nuestra ciudad y a nuestro país a días mejores.

Cristian J. León Guarnizo [email protected] Eduardo A. Suárez Rosales [email protected]

EVENTOS EET-UTPL >IEEE-UTPL<

Página 107

PROYECTO IEEE TISP (Teacher In-Service Program) El proyecto denominado TISP (Teacher in Service Program) por sus siglas en inglés, es un programa de capacitación a docentes de educación media que tiene por objetivo implementar nuevas técnicas y métodos de enseñanza-aprendizaje enfocado a la demostración y aplicación de los conceptos básicos de ingeniería como física, matemática y otras disciplinas tecnológicas.

Ilustración 1 Afiche publicitario TISP-IEEE

La Rama Estudiantil de IEEE – UTPL ha tomado la iniciativa de implementarlo en la ciudad de Loja, y ha elegido dos de los más importantes colegios de nuestra localidad para ponerlo en marcha, Colegio Fiscomisional ―San Francisco de Asís‖ y el Colegio Experimental ―Adolfo Valarezo‖. La respuesta de los docentes del área de Físico – Matemática de los respectivos colegios fue muy favorable, su participación y entusiasmo se vio reflejado en cada uno de los talleres cumpliendo satisfactoriamente los objetivos propuestos de este proyecto. Sin olvidar que esta iniciativa fue promocionada a ejecutarse y desarrollarse análogamente a las actividades que se realizan en las asignaturas que se imparten en estas instituciones, sin embargo se presentaron por parte de los docentes adaptaciones a estos temas impartidos. Los dos planes de lección seleccionados fueron: ―Equilibrio Rotacional: una cuestión de equilibrio‖ en donde se desarrollan temas como vectores, momento de fuerza, diagrama de cuerpo libre, ecuaciones simultáneas, resoluciones por determinantes y fuerzas; y además el tema de ―Construye tu propio brazo robótico‖ en donde se aplican conceptos de diseño, transferencia de energía, diseño tecnológico, movimiento y fuerzas. El trabajo se desarrolló en grupos de tres personas y se entregó el material de contenidos y objetivos (bibliografía), para que con los materiales entregados (recursos) logren cumplir con todos los retos planteados. Los recursos son fáciles de adquirir ya que son material oficina que pueden llegar a suplir a los complejos instrumentos de laboratorio; como pinzas, ligas, hilo, clips, lápices, bandas elásticas, cartón, etc. que manipulados correctamente brindan toda la ayuda para fundamentar los conceptos físicos y matemáticos.

EVENTOS EET-UTPL >IEEE-UTPL<

Página 108

Ilustración 2 Materiales empleados (derecha), grupo de trabajo en brazo robótico (izquierda).

Construye tu propio brazo robótico Los docentes diseñan y construyen un modelo de brazo robótico, con un conjunto de artículos de uso cotidiano, con el objetivo de que el brazo pueda levantar algunos objetos como un vaso, un lapicero y recipiente lleno. Trabajando en equipos de tres o cuatro docentes, explorarán sus aptitudes para el trabajo eficaz en equipo, a la vez que aprenderán conocimientos básicos de la mecánica robótica.

Ilustración 3 Docentes desarrollando el taller de Brazo Robótico

EVENTOS EET-UTPL >IEEE-UTPL<

Página 109

Ilustración 4 Taller de ―Equilibrio Rotacional‖ desarrollado en el Colegio Experimental ―Adolfo Valarezo‖.

Este proyecto tiene una visión más amplia, en el futuro se quiere llegar a todas las instituciones de nuestra localidad con la finalidad de que el docente tenga herramientas prácticas y novedosas para la enseñanza de materias técnicas como matemática, física, y mecánica.

Ilustración 5 TISP en la Unidad Educativa ―Adolfo Valarezo‖ del área de Físico-Matemática

Concluyo el presente informe indicando que las entidades educativas no universitarias a quienes se impartió las capacitaciones motivadas por el enfoque diferente que se ha dado a la enseñanza extendieron una invitación a seguir promoviendo estos talleres y solicitaron participar de las próximas actividades que tenga planificada la Rama IEEE-UTPL que involucre a su institución.

Cristian Javier León Guarnizo [email protected] [email protected]

La gran lección es que para alcanzar un objetivo hay varias formas de lograrlo.

EVENTOS EET-UTPL >EET-UTPL<

Página 110

DÍA INTERNACIONAL DE LAS TELECOMUNICACIONES Y DE LA SOCIEDAD DE LA INFORMACIÓN 09

Del 11 al 15 de Mayo se conmemoró el DIA INTERNACIONAL DE LAS TELECOMUNICACIONES Y DE LA SOCIEDAD DE LA INFORMACION 09 con una serie de conferencias y eventos desarrollados en el Campus de la UTPL. Se tuvo la presencia de expositores de la Superintendencia de Telecomunicaciones: el Ing. Fabián Brito Intendente Regional Sur de la SUPERTEL con el tema del CIR (Centro de Información y Reclamos) y el Control de los Servicios de Telecomunicaciones, el Ing. Fabián Jaramillo- Superintendente de Telecomunicaciones del Ecuador con su exposición acerca de la tendencia de Televisión Digital y el proceso que está llevando la entidad para elegir el estándar adecuado y el Ing. Fernando Santillán, quien dio la conferencia sobre la Protección a los niños en el Cyber Espacio. Los docentes y estudiantes de la EET pudimos ser participes de dichas conferencias a cargo de la SUPERTEL, en donde el conocimiento y experiencia de los expositores aportaron información relevante sobre las regulaciones que esta llevando la entidad con respecto a servicios, redes y mercados de Telecomunicaciones. También se trató del boom de Televisión digital en el mundo y el proceso de elección y pruebas que se está realizando con cada uno de los estándares en el país para poder tomar la decisión más adecuada. Entre otras actividades se efectuaron demostraciones del equipo móvil que maneja la SUPERTEL para monitorear y vigilar el correcto uso del espectro radioeléctrico según las concesiones asignadas a los diferentes medios (telefonía, televisión, mensajería, radiodifusión, etc.) Andrea Castillo Carrión EDITORA EN CORTOCIRCUITO [email protected]

EVENTOS EET-UTPL >CONFERENCIA-EET<

Página 111

CONFERENCIA: ―Procesamiento de imágenes aplicado a instrumentación‖

El pasado 3 de Junio se tuvo la visita del Ingeniero Raúl Segarra, el cual nos brindó una conferencia referente a ―Visión Artificial‖ basada en PCs, en la que se pudo apreciar el procesamiento de imágenes, la eficiencia de algunos dispositivos de National Instruments para las aplicaciones de instrumentación y automatización así como la ayuda que presentan las cámaras para dar a los computadores la capacidad de ―ver‖ y corregir los errores con la ayuda del software de LabVIEW que todos conocemos.

Andrea Castillo Carrión EDITORA EN CORTOCIRCUITO [email protected]

EVENTOS EET-UTPL >SEMINARIOS EET<

Página 112

7mo Seminario Internacional “Experiencias y tendencias en telecomunicaciones TV DIGITAL Y SOCIEDAD‖ El 4 y 5 de Diciembre del 2008 se desarrolló en la ciudad de Cuenca un Seminario Internacional para iniciar el proceso de adopción de estándares para Televisión Digital en donde estudiantes de la EET estuvieron presentes y conocieron de las nuevas iniciativas de la SUPERTEL para mejorar los servicios de Televisión y de la tendencia mundial por la digitalización. En el mismo, los diferentes representantes de los Estándares de TV Digital expusieron a nuestro país las ventajas de los diferentes tipos de tecnología para poder escoger la mejor opción que será aplicada en el país. Dentro de nuestra profesión, este paso de digitalización abrirá fuentes de empleo para la instalación de los equipos y diseño de posibles nuevas redes, aún es un proceso largo hasta optar por el estándar óptimo pero es una ventaja para poder prepararnos y afianzar nuestros conocimientos.

Ilustración1. Representantes de la EET en el Seminario de TV Digital Andrea Castillo Carrión EDITORA EN CORTOCIRCUITO [email protected]

EVENTOS EET-UTPL >SEMINARIOS EET<

Página 113

Jornadas de Sistemas de Telecomunicación (JST)

Ilustración1. Representantes de la EET en las Jornadas de Sistemas de Telecomunicación

Las Jornadas de Sistemas de Telecomunicaciones (JST) desarrollada en Cuenca trató temas referentes a las Telecomunicaciones, voz IP, TV Digital, diseño de antenas panel, entre otros con la presencia de expositores internacionales, en donde nuestros compañeros pudieron conocer de mejor manera ciertas pautas de los diferentes campos en los que podemos incursionar como profesionales.

Andrea Castillo Carrión EDITORA EN CORTOCIRCUITO [email protected]

EVENTOS EET-UTPL >VISITAS TÉCNICAS EET<

Página 114

Visita Técnica a la Hidroeléctrica de San Francisco

Ilustración 1 y 2. Representantes de la EET en Hidroeléctrica de San Francisco La visita desarrollada en el mes de Febrero del presente año a la Hidroeléctrica de San Francisco por estudiantes de la EET y Docentes Investigadores ayudó a conocer el manejo de los recursos hídricos para la generación de energía así como los equipos utilizados. El mantenimiento, vigilancia, y proceso de la transformación de la energía fueron puntos relevantes y de interés por parte de nuestros compañeros. Andrea Castillo Carrión EDITORA EN CORTOCIRCUITO [email protected]

EVENTOS EET-UTPL >VISITAS TÉCNICAS EET<

Página 115

Visita Técnica a las Antenas

Ilustración1. Representantes de la EET en las antenas del Cerro Guachichambo

Ilustración2. Antenas instaladas en el Cerro Guachichambo En este ciclo se desarrolló la acostumbrada visita a las ―antenas‖ dirigida por el Ing. Marco Morocho a los alumnos que cursan la materia del mismo nombre, en la cual se pudo apreciar las torres y equipos de los diferentes medios de comunicación de la localidad y provincia así como las antenas que ayudan a enlazarnos con el país y el mundo, con ello se puede conocer más de cerca las diversas aplicaciones y utilidad de nuestra profesión en beneficio de la sociedad y el progreso de las comunicaciones.

En CORTOCIRCUITO >EDICIÓN 18<

Página 116

blogs.utpl.edu.ec/cortocircuito www.utpl.edu.ec/eet Av. Marcelino Champagnat Telf.:(593-7)2570275, ext: 2656 Fax: (593-7)2585978 Ap.: 11-01-608 Loja—Ecuador