Diseño del bloque de identificación electrónica de fichas tipo LEGO en un panel concebido para la enseñanza de operaciones matemáticas básicas a

niños con capacidades visuales diferentes

José Vicente Jaramillo#1, Jorge Luis Jaramillo#2

#1 Profesional en formación de la Titulación de IET, Universidad Técnica Particular de Loja #2 Docente de la SET del DCCE, Universidad Técnica Particular de Loja

Loja, Ecuador 2015

1jvjaramillo1@utpl.edu.ec, 2jorgeluis@utpl.edu.ec Resumen— Se describe los resultados obtenidos al diseñar

el bloque de identificación electrónica de fichas tipo LEGO, componente básico de un panel electrónico concebido para la enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales diferentes

Palabras claves— enseñanza de matemáticas, niños con

capacidad visual diferente, LEGO, reconocimiento electrónico de fichas tipo LEGO.

I. INTRODUCCIÓN

En septiembre 2013, la Sección de Diseño, Proyectos

Arquitectónicos y Urbanismo del Departamento de Arquitectura y Artes, solicitó a la Sección de Electrónica y Telecomunicaciones (SET) del Departamento de Ciencias de la Computación y Electrónica (DCCE), de la Universidad Técnica Particular de Loja, el apoyo en el diseño e implementación de un panel electrónico para la enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales especiales. Como resultado, se desarrolló el panel electrónico mostrado en la Fig.1, y descrito en [1]. La posterior evaluación de desempeño del panel mostró que, este cumple con las especificaciones funcionales, pero presenta problemas operativos, especialmente en relación a la manipulación de fichas.

En marzo 2014, los investigadores responsables solicitaron

nuevamente apoyo a la SET del DCCE, para optimizar el panel original. Identificados los problemas existentes, se seleccionó la solución óptima para superarlos, y se conceptualizó un nuevo panel electrónico.

En septiembre de 2014, se inició el proceso de diseño e

implementación del nuevo panel. En este trabajo se recoge los resultados obtenidos en el diseño del bloque de reconocimiento electrónico de fichas a utilizar en el panel.

II. A MANERA DE RESUMEN DEL PROCESO DE

IDENTIFICACIÓN DE OPCIONES DE OPTIMIZACIÓN

A. Opciones tecnológicas disponibles para la optimización del panel

En función de los resultados de la evaluación del panel

original por el grupo beneficiario, se identificó las necesidades de optimización: disminución del volumen y peso de las fichas, integración de identificadores decimales y en código Braille, reducción del desgaste de contactos en el circuito impreso; y, diversificación del uso de colores

Fig. 1. Versión original del panel electrónico implementado para enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales especiales [1].

Identificadas las necesidades de optimización, se conformó

grupos de trabajo, a cada uno de los cuales se le encargó la formulación de una propuesta tecnológica de optimización. Se presentaron 6 propuestas de optimización (ver Tabla 1), entre las cuales se seleccionó la opción óptima: diseñar un nuevo panel electrónico que incluya el concepto de fichas tipo LEGO (ver Fig.2). La utilización de fichas tipo LEGO apunta a reducir el desgaste prematuro de contactos en los circuitos

impresos, y, ampliar las posibilidades futuras del panel. Se propone el uso de un tablero y diversas fichas (números y operaciones matemáticas). Las piezas se colocan en el tablero, siguiendo una orden establecido (primer operando, segundo operando, operación, solución, y, comprobación).

Tabla 1.

Análisis comparativo de las opciones presentadas. Diseño de los autores.

Opción Ventajas Desventajas

Reparación del panel original

• Elementos no móviles • Se puede verificar que

pulsadores están activados

• No se puede activar 2 pulsadores simultáneamente

• Desgaste prematuro • Sistema mecánico

complejo • Gran tamaño

Diseño de un tablero en forma

de oso • Elementos no móviles

• Desgaste prematuro • Sistema mecánico

complejo Utilización de aritmética con

dados • Desgaste limitado • Operación compleja

Diseño de un panel de

operación aleatoria

• Desgaste limitado • Operación compleja

Aplicación de sudoku braille • Desgaste limitado

• Sistema complejo • Operación compleja

Empleo de fichas tipo LEGO

• Desgaste limitado • Manipulación

intuitiva • Operación compleja

Fig. 2. Opción seleccionada para la optimización del panel electrónico implementado para enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales especiales. [Autores].

III. SOBRE LA CONCEPTUALIZACIÓN DEL NUEVO PANEL

ELECTRÓNICO

A. Requerimientos generales Considerando que, en el grupo beneficiario existen menores

con ceguera parcial, se acordó incluir en el panel colores vivos. Además, se decidió incluir elementos estimulantes al tacto y al oído, como la codificación Braille y sonidos para verificar la respuesta [2], [3].

En otro contexto, a los beneficios propios de las fichas tipo

LEGO [4], tales como las múltiples combinaciones, y, las distintas estructuras que se logran crear con un grupo básico de piezas; se suman el desarrollo de habilidades motrices, y, la adquisición de conceptos espaciales como volumen, tamaño y formas geométricas [5].

B. Funcionalidades del panel

Igual que en la versión original, el panel electrónico permitirá

ejecutar las 4 operaciones básicas (suma, resta, multiplicación, y, división), con 2 operandos, de hasta 2 cifras significativas (unidades y decenas). El panel electrónico constará de un tablero (con una disposición de 4 columnas y 5 filas), y, de una sección de encendido y sonorización (ver Fig.3).

Fig. 3. Tablero del panel electrónico optimizado. [Autores].

Desde la derecha, las columnas del tablero permiten ubicar

las fichas correspondientes a unidades, decenas, centena, y, miles. En la primera fila, en cada columna, permanecen fijas las fichas que señalan el valor posicional de la columna.

En la última columna, a la izquierda del tablero, se ubican las fichas correspondientes a la operación aritmética a realizar (3 fila desde arriba del tablero). En la posición quinta columna y 4 fila, permanece fija la ficha de resultado de operación, construida sobre un pulsador.

En la sección de encendido y sonorización, ubicada en la

parte superior del tablero, se encuentran el botón de inicio (START) y un parlante, que servirá para comunicar lo acertado o no de la operación efectuada.

Las fichas correspondientes a los operandos y al resultado,

pueden ocupar exclusivamente posiciones predeterminadas en el tablero. La Fig.4 muestra el diseño del tablero, que corresponde al estándar de una pieza tipo LEGO.

Fig. 4. Vista superior y lateral izquierda del tablero. [Autores].

C. Sobre las fichas a utilizar

Se diseñará fichas numéricas (operandos) y operacionales

(ver Fig.5). En forma general se plantea que en la parte superior de cada ficha de los operandos, se imprima el valor numérico (de 0 a 9), tanto en Braille como en números arábicos.

Considerando el grado de desarrollo de la capacidad táctil en

el grupo beneficiario, y, los requerimientos de estética planteados por el equipo de trabajo, se decidió plantear al menos 4 posibles diseños de fichas [6], de entre las cuales escoger la opción óptima.

Las fichas diseñadas se imprimieron en 3D, utilizando el

aplicativo Solidworks [7], y, una impresora 3D Makerbot Replicator 2X [8]. La impresión se realizó con filamento de acrilonitrilo butadieno estireno o ABS, un termoplástico rígido, comúnmente muy utilizado en la impresión 3D [9].

Fig. 5. Vista general del tablero y de las fichas. [Autores].

Para seleccionar el diseño óptimo de las fichas, se sometió

las impresiones al análisis del grupo beneficiario. Con el apoyo del personal docente del Instituto Especial Fiscal para Ciegos “Byron Eguiguren”, de la ciudad de Loja, se trabajó con los niños del cuarto año de educación básica inclusiva. A cada uno de los niños se le pidió manipular las diferentes fichas impresas, recogiendo sus impresiones. Adicionalmente, se solicitó una apreciación a una tutora del grupo, docente con 15 años de experiencia en el Instituto. Como resultado se pudo inferir que el diseño óptimo de una ficha corresponde a los criterios de mayor tamaño posible, cilindros significativos para la codificación Braille sin perfil redondeado, y, número arábigo impreso en alto relieve (ver Fig.6).

Fig. 6. Diseño de ficha con los cilindros significativos para la codificación Braille sin perfil redondeado y con el número arábigo impreso en alto relieve. [Autores].

D. Sobre la planificación del diseño del prototipo del panel

Establecida la conceptualización del panel, se decidió

proseguir con el diseño e implementación de un prototipo del panel electrónico. Para este fin, en septiembre de 2014 se conformaron cuatro grupos de trabajo, encargándoles el diseño e implementación del tablero, el diseño e implementación del bloque de identificación electrónica de fichas, el diseño e implementación del algoritmo de control del panel, y, el análisis de resultados.

IV. DISEÑO DEL BLOQUE DE IDENTIFICACIÓN

ELECTRÓNICA DE FICHAS

A. Diseño conceptual del bloque de identificación electrónica de las fichas del panel

Sobre la metodología de conceptualización Los conceptos preliminares de diseño, se obtuvieron a través

de una lluvia de ideas y de la discriminación posterior, bajo los criterios de durabilidad y facilidad de implementación.

Como resultado, se identificó 4 posibilidades tecnológicas

para la identificación electrónica de las fichas: la utilización de pulsadores, el uso de contactos, la aplicación de resistores, y, sensores infrarrojos.

Sobre la utilización de pulsadores para la identificación de

fichas

Este concepto implica ubicar pulsadores en el tablero de trabajo del panel (ver Fig.7), de forma tal que las fichas las presionen al ser fijadas a el tablero (ver Fig.8).

Fig. 7. Ubicación de los pulsadores en el tablero de trabajo del panel electrónico. [Diseño de los autores]

Fig. 8. Activación de los pulsadores al colocar las fichas sobre el tablero de trabajo del panel electrónico. [Diseño de los autores]

Considerando que las fichas numéricas representan valores

entre 0 y 9, utilizando código binario, se requerirá de 4 pulsadores.

Sobre el uso de contactos para la identificación de fichas En este concepto, se propone diseñar pistas conductoras en el

tablero (ver Fig.9), que podrían habilitar circuitos activos, al complementarse con contactos especialmente ubicados en la parte inferior de las fichas (ver Fig.10).

Fig. 9. Pistas conductoras sobre el tablero de trabajo del panel electrónico. [Diseño de los autores]

Fig. 10. Activación de las pistas conductoras al colocar las fichas sobre el tablero de trabajo del panel electrónico. [Diseño de los autores].

De igual manera, se sugirió la utilización de código binario para la identificación de las fichas numéricas.

Sobre la aplicación de resistores para la identificación de

fichas

En esta idea, en el interior de cada ficha se coloca un resistor. Al colocar la ficha sobre el tablero, se conforma un divisor de voltaje (ver Fig.11). Predeterminados los valores de los 2 resistores, se podría asociar el nivel de voltaje en uno de los segmentos del divisor a una ficha numérica en particular.

Fig. 11. Empleo de resistores internos para identificación de las fichas sobre el tablero de trabajo del panel electrónico. [Diseño de los autores].

Sobre el uso de sensores infrarrojos para la identificación de fichas

En este concepto se propuso ubicar emisores / receptores

infrarrojos en el tablero de trabajo del panel, y, colocar bajo las fichas superficies reflectante o no reflectantes; entonces, la identificación de la ficha dependerá del patrón de reflexión (ver Fig.12).

Fig. 12. Utilización de sensores infrarrojos para la identificación de las fichas sobre el tablero de trabajo del panel electrónico. [Diseño de los autores].

Análisis comparativo de las opciones tecnológicas para la identificación de fichas

Las opciones tecnológicas para la identificación electrónica

de las fichas, fueron sometidas a un análisis comparativo, considerando los parámetros de durabilidad y facilidad de implementación. La Tabla 2 muestra los resultados obtenidos.

Tabla 2.

Análisis comparativo de las opciones tecnológicas para la identificación electrónica de las fichas. Diseño de autores

Opción tecnológica Criterio

Durabilidad Facilidad de implementación

Pulsadores x Contactos x Resistores x Sensores infrarrojos x x

El equipo de trabajo decidió incluir otro aspecto adicional en

el análisis, como es la facilidad de colocación de las fichas en el tablero. En general, el análisis mostró que la mejor opción es la utilización de sensores infrarrojos para la identificación de las fichas.

B. Diseño electrónico del bloque de identificación de las

fichas del panel

Sobre la metodología de diseño

Definida la opción tecnológica a utilizar para la identificación

de electrónica de las fichas, se estableció una aproximación de 4 etapas para el diseño del bloque de identificación: definición de requerimientos de diseño, diseño lógico de circuitos electrónicos, cálculo de componentes, y, aproximación del desempeño del circuito.

Definición de requerimientos de diseño

El bloque a diseñar utilizará código binario. En los sensores

infrarrojos, el nivel GND corresponderá a “0”, mientras que VCC será asumido como “1”.

El bloque a diseñar deberá reconocer el valor absoluto de las

fichas numéricas, identificar las fichas operacionales y, reconocer los espacios en los cuales no se ha ubicado ficha alguna.

La sensibilidad del bloque será tal que, el reconocimiento se

realice a una distancia entre 1 y 5 mm, entre los sensores y las fichas, con el objetivo de admitir imprecisiones en la impresión 3D y en la colocación de las fichas.

Diseño lógico de circuitos electrónicos

En la Fig.13 se muestra la identificación de las variables a

considerar en el diseño lógico de los circuitos electrónicos. Las

variables de la A a la J, pueden adoptar once estados diferentes, diez para dígitos decimales y uno para indicar ausencia de ficha. La variable K puede adoptar cinco estados, cuatro para diferenciar las operaciones matemáticas básicas y uno para indicar ausencia de ficha.

Fig. 13. Identificación de las variables a considerar en el diseño lógico de los circuitos electrónicos de identificación de fichas en el panel. [Autores]

Utilizando la expresión (1), el número requerido de

sensores en cada variable se calculó en 4 (variables A – J) y 3 (variable K) [10].

� � √E (1)

En dónde, S, es el número requerido de sensores binarios E, es el número de estados a reconocer En el marco de este proyecto, se decidió utilizar como emisor

/ receptor infrarrojo, el dispositivo CNY70, cuyas características técnicas se muestran en la Tabla 3. La Tabla 4 muestra la equivalencia entre los estados lógicos en los sensores, y su equivalente decimal y operacional. A la salida de cada sensor, el valor binario “1” representará la ausencia de reflexión. La Tabla 5 muestra las características técnicas del transistor TIP31c que se decidió usar como interruptor del bloque de identificación electrónica.

Tabla 3. Características técnicas del sensor infrarrojo del sensor CNY70 [11].

Parámetro Condiciones Símbolo Típico Unidad

Emisor

Corriente máxima en polarización directa

I� 50 mA

Voltaje en polarización directa

I�� � 20mA V� 1.15 V

Acoplamiento Emisor - Receptor

Corriente en el colector V�� � 5V I� � 20mA d � 0.3mm

I� 1 mA

Tabla 4.

Equivalentes decimales y operacionales de los estados binarios de los sensores [Autores].

Valor binario Equivalente Variables A, B, C, D, E, F, G, H, I y J

0000 0 0001 1 0010 2 0011 3 0100 4 0101 5 0110 6 0111 7 1000 8 1001 9 1010 Error de lectura 1011 Error de lectura 1100 Error de lectura 1101 Error de lectura 1110 Error de lectura 1111 Sin ficha

Variable K 000 + 001 - 010 x 011 ÷ 1XX Sin ficha

Tabla 5.

Características técnicas del transistor TIP31c [12]. Parámetro Símbolo Típico Unidad

Corriente máxima en el colector ����� 3 �

Ganancia de corriente en DC (�� � 1�� h�� 100

Voltaje de saturación base-emisor (�� � 1�� V��� !"� 0.9 $

Fig. 14. Esquema del circuito de emisor / receptor infrarrojo propuesto para determinar los equivalentes decimales y operaciones de los

estados binarios de cada una de las variables. [Autores]

D. Cálculo de componentes del circuito En cada una de las variables, como circuito para el receptor

infrarrojo, se decidió utilizar un esquema de polarización fija o de emisor común (ver Fig.14), en el que el sensor actúa como un interruptor controlado a través de la presencia de superficie reflectora a corta distancia, permitiendo el paso de corriente al existir reflexión, y, cortando el paso de corriente cuando no hay reflexión.

Para un voltaje en corriente continua de 5V, y de acuerdo a

las recomendaciones de la bibliografía [12], el valor de corriente en polarización directa se estimó en 20mA. De acuerdo a [13], el valor de R1 se calculó a través de la expresión (2), obteniendo un valor de 180Ω.

'1 � $(( ) $���* (2)

En dónde, '1, es el valor de la resistencia del resistor,Ω. $,,, es el valor del voltaje en corriente continua, V. $�, es el valor del voltaje de polarización fija, V. ��*, es el valor de la corriente en polarización fija, A.

De acuerdo con [11] (ver Fig.15) y [13], el valor de Rc (ver

Fig.14), se calcula a través de la expresión (3), obteniendo el valor de 24KΩ, aproximado al valor comercial más próximo.

'( � $/0�( (3)

En donde, ',, es el valor de la resistencia del resistor en el

colector,Ω. $/0, es la caída de voltaje en el resistor Rc, V.

�(, es la el valor de corriente en el colector, A.

Fig. 15. Relación entre la corriente en el colector de los transistores del esquema del circuito emisor / receptor infrarrojo, y, la distancia entre los sensores y la superficie reflectaria [11].

De acuerdo con [11] y [12] (ver Tabla 7), el valor de

corriente máxima en el colector se estimó en 1A. De acuerdo a [14], el valor de R2 mostrado en la Fig.16, se calcula a través de la expresión (4), obteniendo un valor de 360Ω.

' � �V23 ) V��� !"�� ∗ h��I� (4)

En dónde, h�� , es el valor de la ganancia de corriente de U5. R, es el valor de la resistencia del resistor R2,Ω V78, es el valor del voltaje de entrada, V. V9�� !"�,es el valor del voltaje de saturación base- emisor en

U5, V.

I�, es el valor de la corriente en el colector de U5, A.

Fig. 16. Esquema interruptor del circuito de emisor / receptor infrarrojo propuesto para determinar los equivalentes decimales y operaciones de los estados binarios de cada una de las variables. [Autores]

D. Evaluación de desempeño del circuito

Para aproximar una evaluación del desempeño del circuito

diseñado en el reconocimiento de patrones binarios, se montó un esquema experimental para medir el voltaje a la salida de un sensor infrarrojo conectado a un microcontrolador MEGA32A, considerando diferentes distancias entre el sensor y las superficies reflectarías y no refractarias. Como superficie reflectaría se utilizó cinta aislante blanca, y, como superficie no refractaria se empleó cinta aislante negra.

Las Fig.17 y 18 muestran los resultados obtenidos, siendo

VIL el voltaje máximo de entrada en baja al controlador, y VIH el voltaje mínimo de entrada en alta. El voltaje real de la fuente empleada fue de 5.27V. La Fig.17 muestra que el circuito es capaz de reconocer el estado binario ‘0’ (refracción), en el rango de distancia comprendido entre 0 y 6.5mm. La Fig.18 muestra que el estado binario ‘1’ (ausencia de refracción) se reconoce a cualquier distancia. Estos resultados satisfacen los requerimientos de diseño

Fig. 17. Variación del voltaje a la salida del sensor, en función de la distancia entre el sensor y una superficie reflectaría. [Autores].

Fig. 18. Variación del voltaje a la salida del sensor, en función de la distancia entre el sensor y una superficie no reflectaría. [Autores].

V. INGENIERÍA DE DETALLE E IMPLEMENTACIÓN DEL

BLOQUE DE IDENTIFICACIÓN ELECTRÓNICA DE FICHAS

A. Metodología de abordaje Definido el diseño del bloque de reconocimiento electrónico

de fichas tipo LEGO, se estableció una metodología de abordaje de la etapa de ingeniería de detalle 4 etapas: identificación de pendientes, ingeniería de pendientes, diseño mecánico del panel, y, fase de pruebas preliminares.

B. Identificación de pendientes

De acuerdo con el análisis de opciones de optimización, es

necesario que el panel cuente con salida de audio, un switch de encendido, y un pulsador. Además, a criterio del equipo de trabajo, se decidió incluir señales luminosas, y un circuito de alimentación.

En definitiva, se decidió atender como pendientes al diseño

en un módulo de audio, al diseño de un módulo de señales luminosas, y, al diseño de un módulo de alimentación.

C. Ingeniería de pendientes

Ingeniería del módulo de audio En el marco de este proyecto, se desarrollará la capacidad

operativa en el procesador para generar mensajes de audio, que orienten al usuario sobre la operación correcta o incorrecta del panel. La decisión final sobre la cantidad y tipo de mensajes audibles será abordada por un equipo de trabajo diferente, conformado para diseñar e implementar la base del panel.

Debido a que el procesador utilizado en este trabajo (Atmega

32A) carece de la capacidad de generar señales analógicas, es necesario prever la conversión de señales moduladas por ancho de pulso PWM (generadas en el procesador) en su equivalente de audio, siguiendo el proceso de conversión mostrado en la Fig.19.

0

1

2

3

4

5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920

VO

LTA

JE (

V)

DISTANCIA (MM)Voltaje medido VIL

0

1

2

3

4

5

6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011121314151617181920

VO

LTA

JE (

V)

DISTANCIA (MM)

Voltaje medido VIH

De acuerdo a [15], se requiere de un filtro pasa bajas para transformar la señal PWM a analógica. Según [16], al utilizar una señal PWM se puede aprovechar las limitaciones físicas de un altavoz dinámico, como filtro pasa bajas. Al ingresar una frecuencia mayor a aquella en la que el dinámico puede vibrar, se promediará la señal consiguiendo un efecto de filtro similar al requerido. La Fig.20 muestra el esquema propuesto para el circuito de audio del panel. De acuerdo a las características del dinámico descritas en la Tabla 6, el valor de corriente máxima en el colector del transistor U2 se estimó en 750mA. De acuerdo a [17], el valor de la resistencia de R3, se calculó en 560Ω, utilizando la expresión (5). Las características eléctricas del transistor U2 se pueden encontrar en la Tabla 7.

Fig. 19. Esquema de conversión de una señal PWM a una analógica. [Autores].

Fig. 20. Circuito de audio propuesto para el panel [Autores].

' � V23 ) V��� !"�I9 (5)

En dónde, R, es el valor de la resistencia del resistor R3,Ω V78, es el valor del voltaje de entrada (PWM), V. V9�� !"�, es el valor del voltaje de saturación base- emisor en

U2, V. I9, es el valor de la corriente en la base de U2, A. Por su parte, la corriente en la base del transistor se calcula a través de la ecuación (6):

I9 � I�h�� (6)

En dónde, I9, es el valor de la corriente en la base de U2, A. I�, es el valor de la corriente en el colector de U2, A. h�� , es el valor de la ganancia de corriente de U2.

Tabla 6. Características técnicas del dinámico EVL SP-328.

Parámetro Símbolo Típico Unidad

Resistencia eléctrica R 8 Ω

Potencia P 2 W

Tabla 7.

Características técnicas del transistor TIP31c [12]. Parámetro Símbolo Típico Unidad

Corriente máxima en el colector

I<=>? 3 A

Ganancia de corriente en DC (@A � BCDEF� h�� 120

Voltaje de saturación base-emisor (@A � BCDEF� V9��sat� 0.8 V

En el marco de este proyecto, para el audio se utilizará un

tono senoidal, de características similares a la señal presentada en la Fig.19. Entonces, utilizando la expresión (7) recomendada en la bibliografía [18], los valores RMS de la señal se calcularon en 3,06 para voltaje, y 0,38 para intensidad de corriente, obteniendo un valor de 1.16W de potencia.

J/�K � L1MN JO�"�P"QR

(7)

Ingeniería del módulo de señales luminosas El módulo de señales luminosas brindará información al

usuario sobre la realización correcta o incorrecta de las

operaciones matemáticas, y, se apoyará con señales audibles. Para la identificación visual de una operación correcta o incorrecta, el equipo de trabajo decidió utilizar los arreglos mostrados en la Fig.21. Una operación correcta se mostrará con un “visto”, formado por diodos LED estándar, de color verde, de 5mm. Una operación incorrecta se mostrará con una “X”, formada por diodos LED estándar, de color rojo, de 5mm. Las características eléctricas de los diodos LED se muestran en la Tabla 8.

Fig. 21. Arreglos propuestos para la señalización luminosa. [Autores].

Tabla 8.

Características eléctricas del diodo led de alto brillo rojo y verde de 5mm RC301-05, GC451-03, [19].

Parámetro Símbolo Típico Unidad

Corriente sugerida en polarización directa I� 20 mA

Voltaje en polarización directa (rojo) V� 2 V

Voltaje en polarización directa (verde) V� 3.1 V

La Fig.22 muestra el esquema de conexión de los diodos en

el módulo de señalización luminosa. De acuerdo a [13], los valores de las resistencias de R4 y R5, se calculan a través de la expresión (8), obteniendo un valor de 100 y 150Ω respectivamente (aproximado al valor comercial más próximo). El esquema incluye un transistor (ver Tabla 9) configurado como interruptor, en cada grupo de diodos LED, para suplir la corriente requerida.

Fig. 22. Esquema de conexión de diodos en el circuito de señales luminosas [Autores].

R � V�� ) V�I� (8)

En dónde,

R, es el valor de la resistencia del resistor,Ω. Vcc, es el valor del voltaje en corriente continua, V. V�, es el valor del voltaje en polarización fija, V. I�, es el valor de la corriente en polarización fija, A.

Tabla 9. Características técnicas del transistor 2N2222, [20].

Parámetro Símbolo Típico Unidad

Corriente máxima en el colector

I<=>? 600 mA

Ganancia de corriente en DC (@A � TDDEF� h�� 175

Voltaje de saturación base-emisor (@A � TDDEF� V9��sat� 0.9 V

Ganancia de corriente en DC (@A � VDDEF� h�� 140

Voltaje de saturación base-emisor (@A � VDDF� V9��sat� 0.9 V

Según [17], el valor de las resistencias de R6 y R7, se calculan a través de la ecuación (9). Considerando las recomendaciones descritas en la bibliografía [20] se obtuvo los valores de 3y 1.5KΩ, respectivamente.

R � V78 ) V9�I9 (9)

En dónde, R, es el valor de resistencia del resistor en la base,Ω. Vin, es el valor del voltaje de entrada, V. V9�, es el valor del voltaje base-emisor, V. I9, es el valor de la corriente de la base, A.

Ingeniería del módulo de alimentación El módulo de alimentación responde al circuito mostrado en

la Fig.23, y, permite alimentar el panel desde una batería, recargar la batería, y, alimentar desde la red pública. De acuerdo a [21] y [22], el valor de la resistencia R8 se calcula a través de la expresión (10), obteniendo un valor de 22Ω, para una intensidad de 57mA. Las características técnicas de los componentes a utilizar se muestran en las Tablas 10 a la 12.

R � 1250 ∗ I (10)

En dónde, R, es el valor de resistencia del resistor R8,Ω. I, es el valor del intensidad de carga de las baterías, A.

Fig. 23. Esquema electrónico del circuito de alimentación [Autores].

Tabla 10. Características técnicas del limitador de corriente LM317, [21].

Parámetro Símbolo Típico Unidad

Corriente máxima de salida IY=>? 2.2 A

Voltaje máximo de salida VY=>? 37 V

Tabla 11. Características técnicas del regulador de voltaje 7805, [23].

Parámetro Símbolo Típico Unidad

Voltaje máximo de entrada V� 35 V

Corriente máxima de salida IY=>? 1 A

Tabla 12.

Características técnicas de la batería GP Ni-MH 60AAM3BMU, [24].

Parámetro Símbolo Típico Unidad

Voltaje V 3.6 V

Capacidad mínima C=�[ 600 mA

Tabla 13.

Resumen de características de resistores. Resistor Resistencia Potencia

R3 560Ω 1 4⁄ W

R4 270Ω 1 4⁄ W

R5 7.5 kΩ 1 4⁄ W

R6 4.2Ω 1 4⁄ W

R7 22 Ω 1 4⁄ W

D. Diseño mecánico del panel

Diseño de cubierta y circuitos impresos

Garantizada la operatividad del diseño electrónico propuesto, se diseñó la cubierta del panel (ver Fig.24) y los circuitos impresos de operación y de señales luminosas (ver Fig.25), y de alimentación y señales de audio (ver Fig.26). Para el diseño se utilizó los recursos del aplicativo Proteus v.7.10 [25]. (ver Fig.25 y Fig.26).

La carcasa del panel consta de una caja base y de una

cubierta. En este trabajo se atendió el diseño de la cubierta, que se construyó en una impresora 3D tipo Makerbot Replicator 2 [8], cuyo espacio de trabajo limitado obligó a dividir la impresión en 4 segmentos (ver Fig.27).

Fig. 24. Diseño físico de la cubierta del panel [Autores].

Fig. 25. Circuito impreso de operación y señales luminosas del panel. [Autores]

Fig. 26. Circuito impreso de alimentación y señales de audio del panel. [Autores]

Fig. 27. Segmentación de la cubierta en cuatro segmentos para impresión 3D. [Autores]

Diseño de la estrategia de ensamblaje

Para el ensamblaje de los circuitos impresos dentro de la

carcasa del panel, se planteó la estrategia mostrada en la Fig.28.

Una vez ubicados los elementos electrónicos en los circuitos

impresos, la cubierta se une a la tarjeta de operación y señales luminosas. A esta última se añade la tarjeta de alimentación y señales de audio, y, la tarjeta del bloque de control (de diseño pendiente). Cada tarjeta se fija con pernos y tuercas (ver Fig.29), y, se apoya sobre soportes (ver Fig.30). Las tarjetas electrónicas están separadas entre sí 1.2cm, utilizando el aire como aislante eléctrico. La decisión final sobre el material, diseño y armado de la caja base será abordada por un equipo de trabajo diferente.

Fig. 28. Estrategia de ensamblaje del panel [Autores]

Fig. 29. Fijación de las tarjetas electrónicas en el panel [Autores]

Fig. 30. Aislamiento electrónico y mecánico de las tarjetas en el panel [Autores]

Construcción de tarjetas electrónicas Para la construcción de las tarjetas electrónicas, se utilizó el

método de planchado descrito en [26]. En la etapa de impresión del circuito, con ayuda de una impresora a laser, se imprimió las pistas de los circuitos diseñados, en papel de termo transferencia (ver Fig.31).

Fig. 31. Circuito impreso en papel termo-transferencia a laser. [Autores]

En la etapa de preparación de la placa, se recortó la placa

PCB al tamaño requerido, y, se lijó la placa para eliminar impurezas sobre el cobre. En la etapa de grabado de placa, se utilizó calor para transferir las pistas del papel de termo-transferencia a la placa PCB, obteniendo el resultado mostrado en la Fig.32.

Fig. 32. Circuito grabado en placa de cobre PCB. [Autores]

En la etapa de lavado de la placa, se utilizó cloruro férrico,

lana de acero, y acetona, para obtener el producto mostrado en la Fig.33.

Fig. 33. Circuito impreso en placa de cobre PCB. [Autores]

En la etapa de perforado de placa y montaje de componentes,

se realizaron perforaciones de 0.8 y 1.2mm de diámetro, y, se soldó los componentes electrónicos de acuerdo al diseño (ver Fig.34).

Fig. 34. Tarjeta de operación y señales luminosas del panel terminada. [Autores]

E. Pruebas preliminares de funcionamiento Dada la naturaleza del proyecto, se requerirá de pruebas de

campo protocolizadas para calificar adecuadamente el desempeño integral del panel. En esta etapa, se acordó realizar una serie de pruebas preliminares para validar la capacidad operativa del panel.

Para verificar la operatividad del módulo de audio, se utilizó

un algoritmo para emisión de audio PWM, reproduciendo la frase “It;s working” [27]. El algoritmo se implementó en un controlador Atmega 32A, conectado a la tarjeta electrónica respectiva. Utilizando el aplicativo Sound Meter [28], se midió la potencia acústica a 20cm del dinámico, registrando un nivel promedio de 63dB. Ya que de acuerdo a [29], 60dB se considera un nivel aceptable para mantener una conversación convencional a 90cm de distancia, los resultados obtenidos muestran que el sonido reproducido será perceptible para el usuario.

Para verificar la operatividad del módulo de señales

luminosas, se conectó el controlador Atmega 32A a la tarjeta electrónica, y se generó una secuencia de comandos correcto – incorrecto, corroborando el funcionamiento de los arreglos de LEDs (ver Fig.35).

Fig. 35. Operatividad de los arreglos de LEDs del módulo de señales luminosas [Autores]

Para validar la operatividad del módulo de alimentación, se

midió el voltaje de salida en diferentes escenarios de uso (en vacío, a media carga, y, a full carga). Se considera que, en un correcto funcionamiento, el voltaje no será menor a 4.5V, y que la corriente de carga de las baterías no será mayor a 60mA [22]. Los resultados mostraron que el voltaje de circuito abierto es de 5V, y, que el voltaje a full carga es de 4.80V. En todos los escenarios estudiados, la intensidad de carga de la batería fue de 57mA. En este contexto, se confirmó la operatividad del módulo.

Para verificar la operatividad del módulo de operación

(reconocimiento de fichas), se utilizó una ficha de prueba (ver Fig.36). Modificando la posición de las superficies refractarias en la ficha de prueba, se midió el voltaje a la salida del circuito,

y, utilizando un controlador Atmega 32A se comprobó la correspondencia con lo esperado.

Fig. 36. Ficha de prueba para el bloque de identificación electrónica. [Autores]

VI. CONCLUSIONES

• Ante los problemas existentes en un panel electrónico

diseñado para la enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales especiales, se decidió desarrollar un nuevo concepto integrando el uso de fichas tipo LEGO.

• Establecida la conceptualización del nuevo panel, se dividió la fase de diseño e implementación de un prototipo en cuatro actividades: diseño e implementación del tablero, el diseño e implementación del bloque de identificación electrónica de fichas, el diseño e implementación del algoritmo de control del panel, y, el análisis de resultados. • En este trabajo se ha demostrado la factibilidad técnica de desarrollar un bloque de identificación electrónica de fichas, que corresponda a los requerimientos conceptuales de funcionamiento del panel, y, a los requerimientos formulados ´por los investigadores responsables.

VII. REFERENCIAS

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