Universidad Autnoma de la Ciudad de Mxico UACM

Plantel San Lorenzo Tezonco

AsignaturaDispositivos Electrnicos I

Profesora

Alumnos Prez Pradel Alejandro Matrcula 07-003-0198Iglesias Jimnez Jorge Matrcula 08-003-1136

Snchez Martnez Andrs Matrcula 05-003-3737 Romero Molotla Raul Rafael Matrcula 07-003-0910 Alcntara Pea Juan Carlos Matrcula 06-003-0969

Trabajo finalCarro seguidor de lnea

1

ndice

Pginas

I Introduccin. 3

II Marco Terico. 4-5

III Objetivos. 6

IV Funcionamiento general. 6

V Desarrollo 7-12

VI Elaboracin del carro seguidor de lnea 12-16

VII Observaciones 16

VIII Conclusiones 17

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I Introduccin

Los robots seguidores de lnea cumplen una funcin, la cual es seguir una lnea marcada en el suelo, ya sea blanca o negra, y dependiendo de esta lnea el color del fondo sera del color contrario al de la lnea elegida.

Estos robots pueden seguir una lnea nica), hasta los robots que recorren laberintos. Todos ellos, sin embargo, generalmente para seguir una lnea, lo hacen por medio de sensores. Hay muchos tipos de sensores que se pueden usar para este fin; sin embargo, por razones de costos y practicidad los ms comunesson los sensores infrarrojos (IR), que normalmente constan de un LED infrarrojo y un fototransistor, para este trabajo se consider que la salida de estos sensores ser "0" cuando vean "blanco" y "1" cuando vean "negro", los sensores IR que eran individuales fueron sustituidos por un sensor CNY70, el cual hace la misma funcin del sensor IR, con la diferencia que est encapsulado, permitiendo que no haya mucha interferencia por parte del medio que pudiera provocar ruido, hacindolo inestable.

Entre las aplicaciones de los robots mviles se encuentra el trasporte de la carga en la industria, robots desactivadores de explosivos, exploracin de terrenos no aptos para el hombre; entre otras dependiendo del tamao de estos. Las 2 maneras ms comunes de armar los rastreadores son: Amplificadores Operacionales, o con simples transistores.

3

II Marco Terico

RECEPTOR INFRARROJOEste tipo de receptores son la contraparte de los emisores, encargados de recibir la luz infrarroja y convertirla en un voltaje anlogo, estos cuentan con un filtro de luz de da, por eso es su color aparentemente negro, lo cual indica que reciben menos interferencia de cualquier fuente de luz externa.

LED EMISOR INFRARROJO. Este tipo de emisores genera luz en el espacio infrarrojo, por lo cual no lo podemos ver a simple vista, en la actualidad se utilizan en la mayora de aplicaciones de control remoto, porque son baratos y no le causan dao al usuario, su desventaja es que esta restringido a distancias cortas de trabajo y ngulos predeterminados.

SENSOR INFRARROJO CNY70El es un pequeo dispositivo con forma de cubo y cuatro patitas que aloja en su interior un diodo emisor de infrarrojos que trabaja a una longitud de onda de 950 nm. Y un fototransistor (receptor) estando ambos dispuestos en paralelo y apuntando ambos en la misma direccin, la distancia entre emisor y receptor es de 2.8 mm. y estn separados del frontal del encapsulado por 1 mm.

TRANSISTOR 2N2222El 2N2222, tambin identificado como PN2222, es un transistor bipolar NPN de baja potencia de uso general. Sirve tanto para aplicaciones de amplificacin como de conmutacin. Puede amplificar pequeas corrientes a tensiones pequeas o medias; por lo tanto, slo puede tratar potencias bajas (no mayores de medio Watts). Puede trabajar a frecuencias medianamente altas.

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CHASIS

El chasis del carro seguidor de lnea es la estructura destinada a brindarnos la movilidad, para suconstruccin se debe elegir un material resistente (acrlico, madera, lmina metlica, etc.) que soporteel peso de la batera, el sistema de control, los motores y los sensores. El diseo del chasis determina elancho, largo y alto del carro.

POTENCIOMETRO

Un potencimetro es un resistor cuyo valor de resistencia es variable. De esta manera, indirectamente, se puede controlar la intensidad de corriente que fluye por un circuito si se conecta en paralelo, o la diferencia de potencial al conectarlo en serie.

MOTOR CORRIENTE CONTINUA

El motor elctrico es un dispositivo electromotriz, esto quiere decir que convierte la energa elctrica en energa motriz. Todos los motores disponen de un eje de salida para acoplar un engranaje, polea o mecanismo capaz de transmitir el movimiento creado por el motor. Es por ello su vital importancia enel diseo de nuestro seguidor de lnea, ya que la movilidad del carro depende de este. El funcionamiento de un motor se basa en la accin de campos magnticos opuestos que hacen girar el rotor que es el eje interno en direccin opuesta imn externo o bobina, con lo que si sujetamos por medio de soportes o bridas la carcasa del motor el rotor con el eje de salida ser lo nico que gire. Para cambiar la direccin de giro en un motor de Corriente Continua tan solo tenemos que invertir la polaridad de la alimentacin del motor

BATERIA

Al momento de escoger la batera es necesario saber a que voltaje y a que amperaje se va a trabajar, loselementos que consumen mayor amperaje en el carro son los sensores y los motores; a mayor corrienteobtenemos mayor velocidad para los motores.

RESISTENCIA

Las resistencias en cualquier circuito electrnico son de gran utilidad ya que como se nombre loindica estas son las encargadas de limitar la corriente que fluye de la fuente hacia los elementos y asevitar un corto, estas son de un valor fijo, dependiendo los colores de las franjas que tienen.

LLANTAS

Las ruedas del robot son movidas por los motores. Normalmente se usan ruedas de materiales anti-deslizantes para asegurar buena traccin.

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III Objetivos.

Construir un robot seguidor de lnea, que funcione mediante sensores usando componentes bsicos deelectrnica.

Poner en practica el uso de transistores para crear la lgica del funcionamiento de los motores, pasandopor la zona de corte y saturacin.

IV Funcionamiento general.

1. El primer paso fue conocer el funcionamiento de cada componente que constituye al robot, as comocrear el circuito elctrico que rige la lgica del robot.

2. Todos los rastreadores basan su funcionamiento en los sensores. Sin embargo, dependiendo de lacomplejidad del recorrido, el robot debe ser ms o menos complejo Los rastreadores ms simplesutilizan 2 sensores, ubicados en la parte inferior de la estructura, uno junto al otro. Cuando uno delos 2 sensores detecta el color blanco, significa que el robot est saliendo de la lnea negra por eselado. En ese momento, el robot gira hacia el lado contrario hasta que vuelve a estar sobre la lnea.Esto en el caso de los seguidores de lnea negra, ya que tambin hay seguidores de lnea blanca. Las2 maneras ms comunes de armar los rastreadores son: OPAMS, o con simples transistores, en elcaso de los transistores, estos operarn en saturacin o corte, ms adelante se explicar los dos casosen los que operan los transistores en el circuito.

3. El robot se mueve utilizando motores. Dependiendo del tamao, el peso, la precisin del motor,entre otros factores, stos pueden ser de varias clases: motores de corriente continua, motores paso apaso o servomotores.

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V Desarrollo

Material

7

Herramientas para la elaboracin de PCB.

2 placas de PCB de 5x 10 cm.Cloruro frricoPapel Transfer.Pinzas de punta.Pinzas de corte.Soldadura.Cable delgado.Taladro.Brocas

Circuitos elctricos 2 Sensores CNY704 Transistores 2N22222 Resistencias de 20 K2 Resistencias de 700 4 Resistencias de 1 K.2 Motores a 5 V2 Potencimetros de 50 K1 Fuente de voltaje

Herramientas para elaboracin del Chasis

3 AbrazaderasMaderaTornillosTuercasSeguetaRegla

Explicacin del circuito utilizado

Se utiliz el siguiente circuito, en el cual no hay inversin de giro de los motores, ver figura 1.

Figura 1. Esquema elctrico del circuito utilizado para hacer girar los motores.

Casos de funcionamiento del esquema elctrico.

Lnea negra

Figura 2. Modo de funcionamiento para la lnea negra.

8

R1

1k

VCC

9V

Q1

2N2221A

R220k

R320k

2

09V

Q2

2N2221A

3

R41k0 R5

50kKey=A 75%

4

Q3

2N2221A

5

S1MOTORM

6

VCC

0

1

VCC

Etapa 1 Etapa 2Etapa 3

E

C

R1

1k

VCC

9V

Q1

2N2221A

R220k

R320k

2

09V

Q2

2N2221A

3

R41k0 R5

50kKey=A 75%

4

Q3

2N2221A

5

S1MOTORM

6

VCC

0

1

VCC

E

C

C

C

BE

EB

B

BC

E

E

C

Sensor CNY70

Sensor CNY70

NPN

NPN

NPN

NPN

Etapa 1

En el esquema mostrado en la figura 2 se puede apreciar como funciona el circuito, cuando la luz ptica del led emisor del sensor CNY70 no se refleja y al no ser percibida o recibida en la base del transistor Q1 del receptor del mismo sensor, Q1 no est conduciendo corriente, es decir cuando el valor de la seal de entrada es cero (cero volts) el LED no se polariza y no induce una corriente en el transistor Q1, por tanto entrar en corte, no circular ninguna corriente a travs del mismo y no se polarizar el transistor Q 1. Cuando el transistor Q1 no es polarizado entra en corte y no permite el paso de corriente y ser elequivalente a un interruptor abierto.

Etapa 2

En el transistor Q2, en la base no se detecta nada, por lo que no va a conducir, sin embargo por el colector se niega la entrada por la base, es decir al no conducir el transistor, se hace pasar un voltaje por el colector para que Q2 excite la base del transistor Q3 en la etapa 3, para que este ltimo transistor encienda al motor haciendo girar en un solo sentido, en esta etapa 2, la funcin del potencimetro es la de regular el nivel de corriente, tomando en cuenta la ley de Ohm I = V / R para controlar la velocidad del motor.

Clculos del circuito elctrico primer caso

A partir del anlisis hecho anteriormente, se puede simplificar el diagrama de la figura 2, de la siguiente manera:

9

Q1

R320k

R4

1k

Q2

V39 V

R51k

R1

50k

Q3

V19 V

V29 V

R320k

R4

1k

Q2

V39 V

R51k

R1

50k

Q3

V19 V

Figura 3. Como el sensor no detecta la luz reflejada sobre la superficie negra, hace que Q1 no conduzca corriente, por lo

que el transistor actu como circuito abierto.

Figura 4. Simplificacin del circuito quitando el colector de Q1

Figura 5. Simplificacin de resistencias en base de Q2 Figura 6. Circuito simplificado de esta manera.

Como no est polarizado adecuadamente por Q1,

ahora Q2 no conduce corriente

Malla I Malla II

Figura 7. Circuito simplificado al reducir resistencias de

la base de Q3. Ahora est polarizado adecuadamente, por

lo que si conduce corriente.

10

R4

21k

Q2

V39 V

R51k

R1

50k

Q3

V19 V

V39 V

R51k

R1

50k

Q3

V19 V

V39 V

R1

51k

Q3

V19 V

Malla I

MALLAII

-9 V + VBB

+ VBE

+ 0V=0

VBB

= 9V- VBE

VBB

= 9V- 0,7V

VBB

= 8,3 V

IB =8,3 V/ 51K =162A

-9 V + VCE

=0

VCE

= 9V

Lnea blanca

Figura 8 Modo de funcionamiento para la lnea blanca.

Etapa 1

En este caso, cuando la luz ptica del led emisor del sensor CNY70 se refleja, es percibida o recibida en la base del transistor Q1 del receptor del mismo sensor, entra en conduccin, por lo que no se deja pasar por el emisor la corriente, teniendo por el colector de Q1 un voltaje de 9V.

Etapa 2

Al llegar el voltaje a la base del transistor Q2, hace que se polarice llevndolo a saturacin y provocando que conduzca la corriente por el emisor, teniendo ahora para el transistor Q3 de la tercera etapa la no polarizacin de la base al llegar corriente, esto hace que no conduzca corriente el transistor Q3 llevndolo a corte, por lo que el motor se apaga en la etapa 3.

Finalmente a partir del anlisis para ambos casos tanto de la lnea blanca como para la lnea negra, se tienen dos

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R1

1k

VCC

9V

Q1

2N2221A

R220k

R320k

2

09V

Q2

2N2221A

3

R41k0 R5

50kKey=A 75%

4

Q3

2N2221A

5

S1MOTORM

6

VCC

0

1

VCC

Etapa 1

Etapa 2 Etapa 3

E

C

C

C

E

E

CB

BSensor CNY70 NPN

NPN

Sentido de giro del carrito seguidor de lnea.Para poder hacer que el carro seguidor de lnea gire en cualquiera de los dos sentidos, se coloc en cada circuito un sensor CNY70 para cada uno de los motores, el sentido de giro del carrito seguidor de lnea es elsiguiente:

1. Los sensores fueron invertidos al momento de ser colocados en el chasis del carro, por lo que elsensor del motor derecho fue colocado del lado izquierdo y el sensor del motor izquierdo fuecolocado del lado derecho.

2. Al momento de que el sensor izquierdo que es del motor derecho se salga de la lnea negra aldetectar el fondo blanco, el motor derecho se apaga, quedando solamente el motor izquierdofuncionando, lo que hace que el carrito gire hacia la derecha hasta encontrar la lnea negranuevamente por el sensor izquierdo, una vez que detecte la linea negra, seguirn ambos motoresgirando hacia adelante.

3. Cuando el sensor derecho que pertenece al motor izquierdo detecte la lnea blanca, apagar el motorizquierdo, quedando solamente el sensor derecho funcionando por lo que el motor derecho seguirgirando, haciendo que el carrito gire a la izquierda, hasta que el sensor derecho encuentre la lneanegra, cuando la encuentre, ambos motores seguirn girando en el miso sentido hacia adelante.

4. En el caso de que ambos sensores se salgan de la lnea negra y detecten la superficie blanca, ambosmotores se apagarn.

VI Elaboracin del carro seguidor de lnea

Una vez que se verific el correcto funcionamiento del circuito mostrado en la figura 1 sobre la tabla de pruebas como se observa en la figura 9, se procedi replicar el mismo circuito para otro motor, teniendo dos motores, uno para que gire a la izquierda y otro hacia la derecha.

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Figura 9. Montaje del circuito elctrico para pruebas.

Posteriormente se colocaron las llantas a cada uno de los motores para ser montadas al chasis del carro que fue hecho de madera, como se puede ver en la figura 10, para ser sujetados los motores, se utilizaron dos abrazaderas que fueron aseguradas con tornillos y tuercas.

Figura 10. Colocacin de las llantas en los motores y base o chasis del carrito.

Posteriormente se utiliz un Software especializado llamado PCB Wizard para realizar el circuito impreso del

esquema elctrico, quedando como se muestra en la figura 11, se imprimi en papel cuche.

Figura 11. Diseo del circuito elctrico en PCB Wizard.

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Una vez impreso mediante una impresora lser, se transfiri el circuito hacia la placa de cobre mediante la tcnica de calor usando una plancha; seguido de esto, la placa de cobre fue puesta en agua fra para que el papel fuera retirado con cuidado, quedando solamente las pistas del circuito en color negro para posteriormente sumergirla en cloruro frrico, ver figura 12 en la que se muestra el proceso en el cual el cobreque no fue pintado de color negro, se elimin por el mismo cloruro frrico, quedando solamente las pistas que si lo estuvieron.

Figura 12. Proceso en el cual el cloruro frrico elimina el cobre

que no fue marcado de color negro.

La figura 13 muestra como qued la laca una vez que el cloruro frrico realiz el proceso de eliminacin del cobre.

Figura 13. Placa de cobre con pistas del circuito elctrico.

Una vez obtenida la placa con las pistas deseadas, se limpi la placa de cobre, dejndola libre de los restos de pintura del circuito impreso, ver figura 14.

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Figura 14. Placa de cobre terminada para montar los

dispositivos del circuito elctrico.

Ahora bien, ya que se obtuvo la primer placa para un motor, se realiz el mismo procedimiento para la segunda, una vez obtenidas ambas placas y ensamblados los dispositivos elctricos en cada una, as como los sensores CNY70, fueron colocadas las dos placas sobre la base del carrito como se muestra en la figura 15 enla que ya previamente se haban colocado los motores con las llantas.

Figura 15. Placas colocadas en la base del carrito seguidor de lnea.

15

Ya que fueron colocadas las placas, los sensores se pusieron en la parte inferior delantera del carrito a una altura sobre la superficie blanca de aproximadamente 0,5 mm. Y finalmente se prob el carrito seguidor de lnea negra, colocando una lnea sobre la mesa en la que se trabaj, ver figura 16.

Figura 16. Prueba del carrito seguidor de lnea.

Se anexa el enlace electrnico del canal de vdeo en Youtube, donde se muestra el funcionamiento prctico del mismo.

VII ObservacionesDebido a las especificaciones tcnicas que tiene el carro seguidor de lnea en este trabajo, las cuales son:

1. 12 centmetros de ancho por 23 cm de ancho.

2. Peso de 150 gramos.

Al momento de realizar las pruebas sobre la lnea negra y al momento de que algunos de los sensores se saliera de esta sobre la curva de la pista, el carrito perda control, debido a su peso y tamao, lo que en la curva, los resultados fueron notorios al quedar ambos sensores fuera de la lnea negra, sin poder girar ya sea el motor izquierdo o derecho para detectar nuevamente la superficie negra. Es importante mencionar que en este trabajo, no consideramos necesario que los motores giraran en sentido contrario a las manecillas del reloj, invirtiendo el sentido de la corriente, por lo que solamente se utiliz medio punte H para cada motor.

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VIII Conclusiones

Todos los rastreadores o seguidores de lneas, ya sean blancas o negras, basan su funcionamiento en los sensores. Sin embargo, dependiendo de la complejidad del recorrido, el robot debe ser ms o menos complejo.

Los transistores sirvieron de manera adecuada, al operar en corte como el caso de Q3 y en saturacin para Q2, es decir, cuando no pasa corriente por la base, no puede pasar tampoco por sus otros terminales; se dice entonces que el transistor est en corte, es como si se tratara de un interruptor abierto. El transistor est en saturacin cuando la corriente en la base es muy alta; en ese caso se permite la circulacin de corriente entre el colector y el emisor y el transistor se comporta como si fuera un interruptor cerrado.

Los sensores tambin tuvieron este modo de operacin de corte y saturacin, permitiendo obtener una lgicapara el sentido de giro del carrito seguidor de lnea, tomando en cuenta la configuracin que se utiliz al momento de conectarlo para que trabajar sobre una zona de color negro, teniendo como base terica el principio de la reflexin de un haz de luz sobre superficies blancas u obscuras, permitiendo polarizar al transistor del receptor del sensor.

Finalmente los dispositivos electrnicos permiten crear una variedad de aplicaciones que solucionen algn problema especifico, todo depende de saber entender como trabajan cada uno de los componentes que se quieran utilizar.

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Observaciones del profesor

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