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1. GENERALIDADES

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El control de gobierno de un buque es una tarea bsica en la navegacin, necesaria para realizar todo tipo de maniobras como seguir una trayectoria planificada, realizar un cambio de rumbo, alcanzar un punto geogrfico e incluso actuar ante un riesgo de colisin.

Actualmente la Armada Nacional cuenta con el Buque Escuela ARC Quitasueo; una unidad que sirve como buque de entrenamiento al personal de grumetes de la Escuela Naval de Suboficiales, en el proceso de repotenciacin de esta Unidad, se detect que el indicador de ngulo de timn se encuentra fuera de servicio y adems es obsoleto.

Cabe preguntar:

Cmo logr el grupo investigador repotenciar e innovar el sistema electrnico del indicador de ngulo de timn a bordo del buque ARC Quitasueo?

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1.2. JUSTIFICACION

La Armada Nacional se encuentra inmersa en un proceso de repotenciar los sistemas de las unidades que lo requieren y es por esto que se considera sumamente necesario el diseo, construccin e instalacin de una tarjeta digital de ngulo de timn para el Buque ARC Quitasueo, que permita aprovechar ms las capacidades de los equipos de navegacin que se adquieran en un futuro (por ejemplo: el piloto automtico).

El diseo, construccin e instalacin de una tarjeta digital de ngulo de timn permitir una mayor precisin en la navegacin, cumpliendo as con una de las reglas de la convencin internacional para la seguridad de la vida en el mar (SOLAS): incluye la adicin de nuevos requisitos referentes al puente de las embarcaciones. Los requisitos revisados cubren equipos tales como girocomps y los compases magnticos, instalaciones del radar, radar automtico que traza ayudas, ecosondas, dispositivos para indicar velocidad y distancia, indicadores del ngulo del timn1.

La puesta en marcha de este proyecto permite la interdisciplinariedad; pues se conjugan varios saberes tales como: diseo electrnico, programacin de microcontroladores, electricidad, entre otros, conocimientos que se han venido adquiriendo a lo largo de la capacitacin que la institucin ofrece en la Tecnologa en Electrnica Naval.

La ejecucin de proyectos de este tipo reviste gran importancia porque se podra implementar en todas las unidades a flote de la Armada Nacional; contribuyendo as en el proceso de modernizacin que adelanta actualmente.

1. SOLAS Consolidado 1999 y Normas Complementarias, Capitulo V.

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1.3. OBJETIVOS

1.3.1. OBJETIVO GENERAL

Construir un sistema indicador de ngulo de timn digital para instalarlo en el Buque ARC Quitasueo.

1.3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS

1.3.2.1 Revisar las teoras pertinentes para la realizacin del presente proyecto.

1.3.2.2. Evaluar el diseo realizado en la primera fase del presente proyecto.

1.3.2.3. Redisear el sistema indicador de ngulo de timn digital.

1.3.2.4. Montar el diseo en plataforma virtual y tarjeta de entrenamiento.

1.3.2.5. Construir el sistema indicador de ngulo de timn digital.

1.3.2.6. Probar el sistema de indicador de ngulo de timn digital para instalarlo en El Buque ARC Quitasueo.

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1.4. METODOLOGA

El trabajo propuesto es la continuacin de una primera fase iniciada por el curso de electrnica capacitacin intermedia en del primer semestre del 2007, desarrollado en seis etapas. Esta segunda fase del proyecto se desarrollar en siete etapas:

Etapa 1 Anlisis:

En esta etapa se revisaron las teoras pertinentes para la realizacin del presente proyecto; consultando y analizando textos de legislacin que trataban sobre sistema de gobierno. Se realizaron visitas al Departamento de Armas y Electrnica en busca de asesora y apoyo tecnolgico, luego se visit al buque escuela ARC Quitasueo.

Etapa 2 Diagnostico: Evaluar el diseo realizado en la primera fase del presente proyecto.

Tomando el diseo realizado en la primera fase del proyecto se realizaron mediciones y comparaciones que indicaron y aseguraron el correcto funcionamiento del diseo de la tarjeta de indicador de Angulo de timn. Partiendo de esto, de acuerdo el resultado obtenido se pudo establecer una tercera etapa para el proyecto.

Etapa 3 Rediseo: Redisear el sistema indicador de ngulo de timn digital.

Dentro del proceso de evaluacin del diseo de la tarjeta se tuvo en cuenta para el rediseo de la misma los factores que influyeron en la alteracin de datos como lo fueron la temperatura, el movimiento y el ruido.

Etapa 4 Prueba inicial: Montar el diseo en plataforma virtual y tarjeta de entrenamiento.

Se realizaron pruebas para la verificacin del correcto funcionamiento de la tarjeta de indicador de ngulo de timn. Este fue un paso fundamental.

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Etapa 5 Construccin del sistema.

En esta etapa se realiz la construccin final del sistema de acuerdo al orden metodolgico y resultado de ptimo funcionamiento conseguido en la etapa anterior. La construccin de este sistema se bas en normas, condiciones de calidad y seguridad que cubren el campo de los equipos electrnicos de navegacin.

Etapa 6 Prueba Final del sistema en laboratorio.

Se efectuaron pruebas que le certificaron al grupo investigador el correcto funcionamiento del indicador en condiciones fsicas simuladas, realizando as una tabla de concentracin de posibles fallas y a la vez descubrir las limitaciones del sistema.

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2. MARCO TEORICO

2.1. BREVE RESEA HISTRICA

El puente de gobierno es el centro de control del buque. Siendo desde tiempos pretritos, uno de los espacios ms importantes a bordo. Fsicamente, su localizacin ha variado con el tiempo e incluso hoy da segn la tipologa del buque, pero siempre cumpliendo su funcin como lugar de vigilancia e invariablemente unido al gobierno.

De forma que desde el puente permita tener mayor campo visual tanto de la mar como del propio barco adems de dominar la derrota efectuada; inicialmente concebido como una simple caseta de gobierno donde se ubicaba una rueda de timn y el comps, ha evolucionado en un centro de control de alta tecnologa al servicio de una tripulacin altamente calificada.

Si se dejan a un lado los captulos relativos a la navegacin a vela y los principios de la aplicacin de la mquina de vapor; se pueden distinguir tres pocas que se diferencian entre s por los progresos realizados en el sector a lo largo del siglo XX; atendiendo a las funciones realizadas por equipo del puente.

Dichas pocas, citadas cronolgicamente se resumen a:

1900-1950: Donde los avances tecnolgicos consisten en la existencia en el puente de girocomps, piloto automtico, ecosonda, corredera, indicadores, radiogonimetro, radiotelfono y telfono interior.

1950-1975: Cuando ya se encuentra en el puente el Radar, el ARPA, la comunicacin por satlite INMARSAT y los sistemas de radioposicionamiento LORAN; el satlite Transit.

1975-2007: Cuando la instalacin del GPS, ECDIS y en definitiva el control automtico del buque, permite hablar de Integrated Bridge System.

Realmente slo en el ltimo cuarto del siglo XX, ha aparecido la tecnologa aplicada a sistemas (Microprocesadores, ordenadores y redes locales).

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Otra clasificacin respecto a la evolucin, determinada por la anterior, es la distribucin fsica y ergonmica del espacio dedicado al centro de control. Dicha evolucin est relacionada a las tareas y operaciones requeridas a los usuarios, para mantener una adecuada vigilancia visual y auditiva del exterior, as como a la interaccin del usuario con la informacin proporcionada por equipos del puente.

Hasta la dcada de los aos sesenta, la configuracin del puente estaba compuesta por equipos individuales que se haban ido aadiendo quizs con posterioridad a la entrega del buque, dispersados por el espacio fsico e incluso limitando la visin al exterior junto a un cuarto de derrota y otro para la telegrafa.

A partir de la dcada de los setenta, los astilleros empiezan a agrupar los equipos de control del buque en una consola central de maniobra e incluso a adaptar la misma a los nuevos diseos de radar, emergentes de la poca. Todo debido a la exigencia en seguridad martima.

2.2. LEGISLACIN SOLAS

El incidente que condujo a la convocacin de la conferencia internacional de 1914 SOLAS fue el hundimiento del Titanic en su viaje virginal en abril de 1912. Ms de 1.500 pasajeros y la tripulacin murieron y el desastre plante muchas preguntas sobre los estndares actuales que el gobierno del Reino

Unido propuso llevar a cabo una conferencia para desarrollar regulaciones internacionales. A la conferencia asistieron representantes de 13 pases y adoptaron a la convencin de SOLAS que result el 20 de enero de 1914. Introdujo los nuevos requisitos internacionales que se ocupaban de la seguridad de la navegacin para todos los buques mercantes; la disposicin de tabiques hermticos y resistentes al fuego; las aplicaciones salvavidas y las aplicaciones de la prevencin contra los incendios y de la lucha contra el fuego en pasajeros. Otros requisitos trataron del equipo del radiotelegrafa para las naves que llevaban a ms de 50 personas (los mensajes de la seal de socorro del Titanic no haban sido tomados por otras naves) Las medidas relativas a la seguridad de la navegacin aparecen en el captulo V del Convenio:

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Regla 1: Estipula que el captulo es aplicable a todos los buques, cualquiera que sea el viaje que efecten, excepcin hecha de los buques de guerra y de los buques que slo naveguen por los Grandes Lagos de Amrica del Norte. Las nicas reglas aplicables expresamente a determinados tipos de buque son las reglas 11 y 12.

Regla 11: Lmparas de seales: Todos los buques de arqueo bruto superior a 150 debern llevar a bordo una lmpara de seales cuando efecten viajes internacionales.

Regla 12: Aparatos nuticos de a bordo: Esta regla fue modificada por el Protocolo de 1978 y posteriormente fue totalmente revisada por las enmiendas de 1981, que entraron en vigor el 1 de septiembre de 1984.Los requisitos varan de acuerdo con el tamao del buque y ao de construccin, y comprenden aparatos tales como compases (magntico y giroscpico), radar, ayudas de punteo de radar automticas, ecosondas, dispositivos indicadores de velocidad y distancia, indicadores del ngulo de timn, de la velocidad rotacional de cada hlice y de la velocidad angular de evolucin, y radiogonimetros. Todos estos equipos deben ajustarse a las normas de rendimiento estipuladas en varias resoluciones de la Asamblea de la OMI.

2.3. IMPORTANCIA DEL NGULO DE TIMN

El control de gobierno de un buque es una tarea bsica en la navegacin, necesaria para realizar todo tipo de maniobras como seguir una trayectoria planificada, realizar un cambio de rumbo, alcanzar un punto geogrfico e incluso actuar ante un riesgo de colisin.

El buque Escuela ARC Quitasueo actualmente cuenta con un indicador de ngulo de timn muy obsoleto que ha tenido mltiples reparaciones y con problemas en comunicacin con la tarjeta principal, ubicada en el cuarto de servos. La situacin actual de este equipo impide la navegacin segura.

Las novedades tecnolgicas que se contemplan para el tema que se investiga son en principio las que tienen que ver con la electrnica moderna y comunicaciones, todo ello aplicado al equipo que se necesita para determinar el ngulo de la pala del timn del Buque ARC Quitasueo. Por tal motivo se destaca como elemento primordial El Microcontrolador:

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2.4. MICROCONTROLADOR

Los microcontroladores estn conquistando el mundo. Estn presentes en la vida cotidiana, en general. Se pueden encontrar controlando el funcionamiento de los ratones y teclados de los computadores, en los telfonos, en los hornos microondas y los televisores del hogar. Pero la invasin acaba de comenzar y el nacimiento del siglo XXI ser testigo de la conquista masiva de estos diminutos computadores, que gobernarn la mayor parte de los aparatos que se fabrican y usan los humanos.

Cada vez existen ms productos que incorporan un microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamao y costo, mejorar su fiabilidad y disminuir el consumo. Algunos fabricantes de microcontroladores superan el milln de unidades de un modelo determinado producidas en una semana. Este dato puede dar una idea de la masiva utilizacin de estos componentes.

Los microcontroladores estn siendo empleados en otras aplicaciones con las que seguramente no se estar tan familiarizado como instrumentacin electrnica, control de sistemas en una nave espacial, etc. Una aplicacin tpica podra emplear varios microcontroladores para controlar pequeas partes del sistema. Estos pequeos controladores podran comunicarse entre ellos y con un procesador central, probablemente ms potente, para compartir la informacin y coordinar sus acciones, como, de hecho, ocurre ya habitualmente en cualquier PC.

2.5. AVANCES TECNOLOGICOS EN LA ARMADA NACIONAL

Los equipos de la actualidad suelen tener un alto componente de automatismo, debido a que la informacin que se tiene que procesar es extensa en nmero y calidad, por lo que la tcnica proporciona una gran ayuda al elemento humano, que es el que en ltima instancia decide si los resultados son los adecuados al servicio que se debe prestar.

Con miras al mejoramiento de las unidades a flote de la Armada Nacional; en especifico el Buque Escuela ARC Quitasueo; se plante el Diseo de una tarjeta de ngulo de timn digital, en una Primera Fase (Primer semestre del 2007).

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Un sistema de procesamiento de seales. Luego, el mejoramiento e innovacin en esta etapa conllev al desarrollo y actualizacin en este sistema. En la actualidad el desarrollo tecnolgico de la Primera Fase del proyecto, le brinda la oportunidad al grupo investigador de la Segunda Fase, encontrar diferentes soluciones a diversos problemas en el mbito del sensado de variables fsicas (ngulo de la pala del timn). Ms adelante se plantear una solucin definitiva para un sistema obsoleto de sensado de ngulo de la pala del timn del Buque Escuela ARC Quitasueo. El diseo prctico, econmico y la construccin, contribuir al desarrollo y a la adquisicin de otros equipos de ltima tecnologa (por ej. Piloto automtico).

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3. ESTRATEGIA TECNOLOGICA

Para realizar el proyecto, el grupo investigador se apoy en el diseo realizado en la primera Fase. Se efectu una evaluacin tcnica del diseo inicial, en donde se encontraron ciertas limitaciones para la aplicacin; tales como los elementos utilizados para sensar el ngulo del timn; y al visitar el Buque ARC Quitasueo se pudo establecer factores que afectaban el correcto funcionamiento de la tarjeta Principal; (Temperatura, ruido, vibracin) . Se lleg tambin a la conclusin de que el diseo deba ser ms compacto (un solo chip) ya que el diseo inicial presentado es modular. Por tal motivo el grupo investigador decide realizar el diseo utilizando el Microcontrolador 16F877 Microchip.

El anlisis de funcionamiento se efectu paso a paso por bloques, descrito a continuacin.

El sistema se ha llamado XMEL126, debido a que es un proyecto experimental desarrollado por el curso de electrnica No 07 del contingente 126.

3.1. Anlisis

3.1.1. Anlisis del diseo realizado en la Primera Fase.

Figura 1. Etapa sensor ngulo de timn y procesamiento de la seal. Tomada del Proyecto diseo de Tarjeta de ngulo de Timn Fase I

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La figura 1 muestra la etapa de sensado de ngulo de timn y procesamiento de la seal; en el que utilizan como base un potencimetro Lineal de 10K, que cumple la tarea de elemento sensor y un circuito integrado convertidor Analgico/Digital de referencia ADC0801, con una resolucin de 8 bits, para poder procesar los datos. Un dispositivo electrnico que tiene su fundamento terico en el teorema de muestreo y en los conceptos de cuantificacin y decodificacin. La temporizacin para realizar la operacin la proporciona la seal de reloj de entrada (LM555). La unidad de control contiene los circuitos lgicos para generar la secuencia de operaciones adecuada en respuesta al comando de INICIO, el cual comienza el proceso de conversin. El comparador con amplificador operacional tiene dos entradas analgicas y una salida digital que intercambia estados, segn qu entrada analgica sea mayor.

Figura 2. Etapa de procesamiento de datos adquiridos por el conversor. Tomada del Proyecto diseo de Tarjeta de ngulo de Timn Fase I

El convertidor A/D toma un voltaje de entrada analgico y despus de cierto tiempo produce un cdigo de salida digital. A la salida digital del convertidor analgico/digital ideal de 4 bits se grfica en funcin del voltaje de entrada analgica.

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Figura 3. Entrada y salidas del Conversor Analgica/Digital

La salida digital es acoplada directamente al Microcontrolador (16F84A); este ltimo se encarga de procesar esta seal y enviarla por el Puerto B en donde se encuentra conectado un decodificador (74LS47N).

Figura 4. Etapa de despliegue de datos. Tomada del Proyecto diseo de Tarjeta de ngulo de Timn Fase I

El decodificador (74LS47N) se encarga de convertir el lenguaje de maquina a nmeros decimales. El dispositivo de salida para visualizar nmeros decimales es el visualizador de siete segmentos. Las diez visualizaciones, que presentan los dgitos decimales del 0 al 9.

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Figura 5. Montaje en plataforma virtual. Tomada del Proyecto diseo de Tarjeta de ngulo de Timn Fase I

El montaje del circuito fue realizado en una plataforma virtual llamada PROTEUS ISIS 6 Professional. Un programa donde se pueden simular toda clase de circuitos y que proporciona las herramientas necesarias para tal tarea. (Dispositivos Electrnicos comerciales, medidores, etc.)

Figura 6. Diseo del circuito impreso Tomada del Proyecto diseo de Tarjeta de ngulo de Timn Fase I

El diseo final fue realizado en un software llamado EAGLE.

El programa posee un panel de control a partir del cual se puede generar o editar: Un circuito terico, un circuito impreso, una librera de componentes.

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De esta manera el programa permite dibujar circuitos y generar cada una de las caras de un circuito impreso como as tambin plantilla de perforaciones y mscaras de soldadura. El programa provee una amplia gama de libreras de componentes, conectores, sensores, etc. Y permite la generacin de nuevas libreras y la edicin de las libreras existentes.

Figura 7. Diseo final Tarjeta de ngulo de timn Fase I Tomada del Proyecto diseo de Tarjeta de ngulo de Timn Fase I

3.1.2. Resultado Anlisis del diseo realizado en la Primera Fase.

El diseo deba ser ms compacto (un solo chip) ya que el diseo inicial presentado es modular (PIC 16F84AP, NE555, ADC0801). Por tal motivo el grupo investigador decidi realizar el diseo utilizando el Microcontrolador 16F877 Microchip.

Teniendo el convertidor A/D en un solo modulo con el procesador, se pueden evitar y corregir factores que afectan el circuito (Ruido). Adems se reducen los costos y el espacio en el circuito. Contando as tambin con un modulo de comunicaciones que le permite al sistema interactuar con un PC. En fin es un Procesador, que aunque pertenece a la gama media, es muy completo.

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Figura 8. Elementos de la Tarjeta de ngulo de Timn Fase I Tomada del Proyecto diseo de Tarjeta de ngulo de Timn Fase I

Para mejorar el elemento sensor; se adquiri un potencimetro ms preciso lineal, a continuacin en la fotografa 1 Y 2; se ilustra dicho componente.

Fotografa 1. Potencimetros; lado izq. Lineal 10k (nuevo) lado der. Restato de 5k (obsoleto)

Fotografa 2. Potencimetro; lado izq. Y elementos mecnicos del sistema.

UN SOLO

CHIP

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3.2. DISEO

Utilizando como base para el nuevo diseo el microcontrolador PIC16F877 se procede al diseo.

El grupo investigador se apoya en herramientas como:

EAGLE para el diseo de la tarjeta. PROTEUS para el montaje virtual. MPLAB para el software del Procesador. VISUAL BASIC Visualizar en PC Tarjeta de entrenamiento de PIC para el montaje de prueba.

3.2.1. Eagle.

EAGLE es un potente editor de grficos y esquemas para el diseo de placas con PC. Que proporciona grandes herramientas. A continuacin se describen sus principales caractersticas:

Generacin de listado de componentes con soporte de base de datos Visor de libreras con potentes funciones de bsqueda Soporte en variedad de encapsulados Posibilidad de trabajar alternativamente con el esquema y con la placa Generacin automtica de las seales de alimentacin

Se procedi a construir el circuito teniendo en cuenta los puertos de entrada y salida que se utilizaran. Utilizando las diferentes herramientas suministradas por el software.

El grupo investigador vio la necesidad de implementar una lnea de comunicacin externa para aplicaciones futuras. Con un modulo RS232. (Circuito integrado MAX232).

Se inici la creacin de un Proyecto. Como se ilustra a continuacin.

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Figura 9. Creacin de un Proyecto en EAGLE. Tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

Se procedi a construir el circuito utilizando los componentes requeridos:

01 Microcontrolador PIC16F877A. 01 Cristal de 4Mhz. 04 Capacitores de 20pF. 02 Pulsadores N.A. 04 Transistores 2N3904. 04 Display 7 segmentos nodo comn. 07 Resistencias de 330. 06 Resistencias de 1K. 01 Potencimetro lineal de 1K. Conectores. 01 C.I. MAX232

A continuacin se ilustra el proceso de eleccin de componentes en el entorno EAGLE.

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Figura 10. Eleccin de componentes. Tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

Luego se procedi a construir el circuito usando los componentes seleccionados. Como se ilustra a continuacin:

Figura 11. Construccin del circuito. Primera parte. Tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

Fuente de alimentacin de 5 Voltios.

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Figura 12.Fuente de alimentacin con LM7805.

Display siete segmentos.

Figura 13. Pines Display siete segmentos nodo Comn. Tomada Pagina Web www.eropic.com.

El elemento base del display es el segmento. Con siete de ellos, en las posiciones adecuadas, se puede representar cualquier digito. Para encender un led hace falta que lo atraviese una corriente determinada en el sentido correcto. Teniendo en cuenta el consumo del circuito para que no afecte los pines del puerto B del C. No todos los LEDs funcionan con la misma tensin y corriente, pero se asumieron valores promedios para realizar los clculos. S tom un valor de 10mA para la corriente que necesita un LED para encender. El sentido de circulacin de esta corriente por dentro del LED debe ser desde el nodo hacia el ctodo para que este se ilumine, por lo que el nodo se conecta al emisor de un transistor (interruptor) el ctodo a los puertos del C. La cada de tensin en cada diodo LED es de unos 2V.

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Figura 14. Calculo de resistencia de cada segmento. Tomada entrono grafico Workbench.

El display necesita un control mediante un sistema que permita apagar los dgitos en determinado momento, para tal tarea se dispuso de un transistor configurado como interruptor. Dicho sistema consiste simplemente en una serie de transistores, uno por digito, que actuar como una llave que encienda o apague todos los segmentos del digito elegido cuando sea necesario, mediante una seal especifica proveniente del microcontrolador

.

Figura 15. Pines Display siete segmentos nodo Comn. Tomada del entorno grafico de EAGLE.

Eliminacin de rebote de los pulsadores:

En el momento de presionar un botn pulsador o cualquier conmutador electromecnico es inevitable que se produzca un pequeo arco elctrico durante el breve instante en que las placas del contacto se aproximan o se

Al nodo comn

de los Display

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alejan de sus puntos de conexin, ya que las distancias microscpicas entre los puntos a diferente potencial son suficientes para romper por un instante la resistividad del aire. Este fenmeno se conoce como rebote y se ilustra en la siguiente figura

Figura 16. Rebote al accionar un pulsador.

Limpiado del rebote. El rebote generado por el pulsador fue eliminado con un condensador en paralelo con la resistencia y funciona como un filtro pasabajos. Duracin del rebote.- La experiencia emprica indica que el periodo transitorio de un rebote depende entre otros factores, de la calidad de los pulsadores y de la rapidez de su accionamiento, pero a lo ms puede durar unos 20 milisegundos, En la siguiente figura se muestra un rebote real corregido en los contactos de un relevador capturado en la pantalla de un osciloscopio (Obsrvese que el rebote mostrado dur solamente 3 milisegundos).

Figura 17 Solucin del rebote Figura 18 Imagen tomada de Osciloscopio Tomada del Entorno Grafico de EAGLE. Tectronik

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Figura 19. Diseo solucin de rebote Tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

Configuracin del circuito integrado MAX232

Figura 20. Configuracin del C.I. MAX 232 Tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

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Figura 21. Construccin del circuito. Final. Tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

Al finalizar el circuito se procedi a verificar la lista de errores y advertencias para verificar el diagrama de conexiones y componentes.

Figura 22. Verificacin de advertencias y errores. Tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

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No se detectaron errores ni advertencias que perjudicaran el circuito. Se procedi a la creacin de la Board (tarjeta) como tal; seleccionando en el men de opciones BOARD como se ilustra a continuacin.

Figura 23. Creacin de la Board. Paso 1. Tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

Al crear la Board (Tarjeta) se obtuvo una imagen fsica de los elementos, con sus conexiones. Como se ilustra a continuacin.

Figura 24. Creacin de la Board. Paso 2 Tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

BOARD

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Se procedi a organizar los elementos de la mejor forma para luego crear las rutas. Como se ilustra a continuacin.

Figura 25. Creacin de la Board. Paso 3 Tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

Luego se procedi a crear las rutas con el autorouter del Software a dos capas; como se ilustra a continuacin.

Figura 26. Creacin de la Board. Paso 4 Tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

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Finalmente se obtuvo el diseo de las rutas para las conexiones de los componentes con un avance del 100%; como a continuacin se ilustra.

Figura 27. Creacin de la Board. Paso 5 Tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

3.2.2. Diseo Final de la Tarjeta

Figura 28. Imagen de los componentes del diseo final Impresin tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

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Figura 29. Imagen diseo final Cara inferior Impresin tomada del Entorno Grafico de EAGLE.

Figura 30. Imagen diseo final Cara Superior Impresin tomada del Entorno Grafico de EAGLE

3.2.3. MPLAB

MPLAB es un entorno de desarrollo integrado que le permite escribir y codificar los microcontroladores PIC de Microchip para ejecutarlos. El MPLAB incluye un editor de texto, funciones para el manejo de proyectos, un simulador interno y una variedad de herramientas que ayudan a mantener y ejecutar una aplicacin. Tambin provee una interface de usuario para todos los productos con lenguaje Microchip, programadores de dispositivos, sistemas emuladores. El MPLAB est diseado para ser ejecutado bajo Windows y permite realizar las siguientes tareas en lenguaje ensamblador: Manejar el escritorio MPLAB.

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Crear un nuevo archivo de cdigo fuente para el ensamble e ingresarlo a un nuevo proyecto para el 16F877 Identificar y corregir los errores simples. Ejecutar el simulador interno.

3.2.4. Desarrollo Del Programa

Se procedi a crear el programa del procesador en el entorno MPLAB Con los siguientes parmetros: Caractersticas generales del Microcontrolador.

Figura 31. Caractersticas Microcontrolador PIC16F877. Tomada de Monografas

CARACTERSTICAS 16F877

Frecuencia mxima DX-20MHz

Memoria de programa flash palabra de 14 bits 8KB

Posiciones RAM de datos 368

Posiciones EEPROM de datos 256

Puertos E/S A,B,C,D,E

Nmero de pines 40

Interrupciones 14

Timers 3

Mdulos CCP 2

Comunicaciones Serie MSSP, USART

Comunicaciones paralelo PSP

Lneas de entrada de CAD de 10 bits 8

Juego de instrucciones 35 Instrucciones

Longitud de la instruccin 14 bits

Arquitectura Harvard

CPU Risc

Canales PWM 2

Pila Hardware -

Ejecucin En 1 Ciclo Mquina -

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Antes de desarrollar el programa se procedi a efectuar una medicin de voltajes a bordo del buque ARC Quitasueo relacionando los ngulos de viraje de la pala del timn para confrontarlos en una tabla e introducirlos en el modulo de conversin Anlogo/Digital y en el programa del microcontrolador.

ESTRIBOR Grados voltaje

Valor binario 0 1,91 1100001 5 1,94 1100011

10 1,97 1100100 15 2 1100110 20 2,03 1100111 25 2,05 1101000 30 2,08 1101010 35 2,11 1101100

BABOR Grados

0 1,91 1100001 5 1,89 1100000

10 1,86 1011111 15 1,83 1011101 20 1,8 1011100 25 1,77 1011010 30 1,74 1011001 35 1,71 1010111

Tabla de medicin

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Figura 32 Pruebas Realizadas a bordo del Buque ARC Quitasueo.

1.71 voltios---35BABOR

2.11 voltios---35ESTRIBOR

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Figura 33 TABLA Linealidad del sistema

Partiendo del diseo del Hardware (circuito) se tomaron en cuenta los puertos que se iban a utilizar (entradas y salidas). Para poder configurarlos a travs del programa.

A continuacin se ilustran los puertos seleccionados como entradas y salidas.

Figura 34. Esquema del Microcontrolador PIC16F877A. Tomada del entorno grafico PROTEUS.

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Se configuraron los registros y los puertos acuerdo a los requerimientos anteriormente mencionados.

A continuacin se ilustra en entorno MPLAB y utilizando las instrucciones del Microcontrolador se procedi a la configuracin y creacin de las diferentes rutinas y subrutinas.

Figura 35. Configuracin de variables, puertos rutinas y subrutinas. Tomada del entorno grafico MPLAB.

Al terminar la programacin se procedi a seleccionar el dispositivo que se requera (PIC16F877A)

Figura 36. Seleccin del dispositivo. Tomada del entorno grafico MPLAB.

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Luego se compil (construy) el proyecto.

Figura 37. Compilacin del proyecto. Paso 1 Tomada del entorno grafico MPLAB.

Figura 38. Compilacin del proyecto. Final Tomada del entorno grafico MPLAB.

Al construir el programa, el Software (MPLAB) genera un cdigo en Hexadecimal que ms adelante se transfiri al Microcontrolador a travs de la tarjeta de programacin.

Figura 39. Cdigo Hexadecimal. Tomada del entorno grafico MPLAB.

A continuacin se muestra el diagrama de flujo de la programacin del Microcontrolador. Nota: El desarrollo comple

Figura 40. Diagrama de flujo programacin del C.

3.2.5. VISUAL BASIC. Funcin de comunicacin serial.

Se agreg al programa la configuracin del puerto de comunicacin Microcontrolador, igualmente se dise un programa en Visual Basic para leer los datos enviados por la Tarjeta principal.

A continuacin se muestra el diagrama de flujo de la programacin del El desarrollo completo del programa se encuentra en los Anexos.

Figura 40. Diagrama de flujo programacin del C.

VISUAL BASIC. Funcin de comunicacin serial.

Se agreg al programa la configuracin del puerto de comunicacin Microcontrolador, igualmente se dise un programa en Visual Basic para leer los datos enviados por la Tarjeta principal.

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A continuacin se muestra el diagrama de flujo de la programacin del to del programa se encuentra en los Anexos.

Se agreg al programa la configuracin del puerto de comunicacin del Microcontrolador, igualmente se dise un programa en Visual Basic para

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A continuacin se describe este proceso.

Lo que se hizo fue conectar el PIC al PC para enviar informacin. Se utiliz el puerto serie del PC, que emplea la norma RS232. Para hacer esto, se convirtieron los niveles de seal entre los que usa el PIC (TTL) y los del puerto serie (RS232); utilizando un conversor. En este caso, el MAX232. Ver figura 20 Pagina 23.

3.2.5.1. Creacin Proyecto en Visual Basic para visualizacin en PC.

A continuacin se ilustra el cdigo de fuente del proyecto creado en el entorno Visual Basic.

Private Sub Form_Load() Label6.Font = grey Label5.Font = grey Label7(1).Font = grey Label7(0).Font = grey

Label7(1).ForeColor = &H808080 Label7(0).ForeColor = &H808080 Label5.ForeColor = &H808080 Label6.ForeColor = &H808080

MSComm1.RThreshold = 3 ' Bfer para almacenar la cadena de entrada Dim Instring As String ' Usar COM1. MSComm1.CommPort = 1 ' 9600 baudios, sin paridad, 8 bits de datos y 1 ' bit de parada. MSComm1.Settings = "9600,N,8,1" ' Indicar al control que lea todo el bfer al usar ' Input. MSComm1.InputLen = 0 ' Abrir el puerto. MSComm1.PortOpen = True

'revisar: 'Do ' DoEvents 'Buffer$ = Buffer$ & MSComm1.Input 'Loop Until InStr(Buffer$, "3") 'Text1.Text = Buffer$

' Leer los datos de respuesta de aceptacin en el ' puerto serie. ' Cerrar el puerto serie.

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'MSComm1.PortOpen = False End Sub

Private Sub MSComm1_OnComm() If MSComm1.CommEvent = 2 Then Buffer$ = MSComm1.Input If Left(Buffer$, 2) = "ED" Then Label5.Caption = "-"

ElseIf Right(Buffer$, 2) = "EI" Then Label6.Caption = "-"

ElseIf Right(Buffer$, 1) = "I" Then Label6.ForeColor = &H8000& Label7(1).ForeColor = &H8000& Label6.Caption = Left(Buffer$, 2) Label5.ForeColor = &H808080 Label7(0).ForeColor = &H808080 Label5.Caption = "00"

ElseIf Right(Buffer$, 1) = "D" Then Label7(0).ForeColor = &HFF& Label5.ForeColor = &HFF& Label5.Caption = Left(Buffer$, 2) Label6.ForeColor = &H808080 Label7(1).ForeColor = &H808080 Label6.Caption = "00"

End If End If

End Sub

Figura 41. Entorno grafico del Programa del PC

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3.3. CONSTRUCCION

Para la construccin final del Proyecto se inici con el montaje en la plataforma virtual. Este se efectu con el Software PROTEUS.

3.3.1. PROTEUS

Es un entorno integrado diseado para la realizacin completa de proyectos de construccin de equipos electrnicos en todas sus etapas: diseo, simulacin, depuracin y construccin. El software suministra una herramienta llamada ISIS; una herramienta para la elaboracin avanzada de esquemas electrnicos, que incorpora una librera de ms de 6.000 modelos de dispositivos digitales y analgicos.

Se procedi a seleccionar los elementos que se utilizaran en el proyecto. A continuacin se ilustra el entorno PROTEUS.

Figura 42. Seleccin de componentes electrnicos Tomada del Entorno Grafico de PROTEUS

Se procedi a construir el circuito con los componentes previamente seleccionados. Como se ilustra a continuacin.

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Figura 43. Construccin del circuito. Primera Parte Tomada del Entorno Grafico de PROTEUS

Figura 44. Construccin del circuito. Final Tomada del Entorno Grafico de PROTEUS

Al concluir el diseo se procedi a cargar el programa realizado en MPLAB (El cdigo hexadecimal). Como se ilustra a continuacin.

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Figura 45. Programacin del PIC16F877A en PROTEUS. Tomada del Entorno Grafico de PROTEUS.

Al finalizar todo el montaje se procedi a simular el circuito montado. Efectundose pruebas para verificar el funcionamiento correcto del diseo.

Figura 46. Prueba Final del proyecto en Plataforma Virtual PROTEUS. Tomada del Entorno Grafico de PROTEUS.

Al variar el

potencimetro

obtenemos

despliegue de grados

Estribor

Babor

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3.3.2. Montaje En Tarjeta De Entrenamiento

Al haber efectuado el montaje virtual con ptimos resultados se procedi a cargar el programa diseado en MPLAB al microcontrolador y a realizar el montaje en la tarjeta de entrenamiento, como se ilustra a continuacin.

Fotografa 3. Montaje en la tarjeta de entrenamiento.

Fotografa 4. Montaje en la tarjeta de entrenamiento.

Se obtienen buenos resultados con la prueba en el montaje en la tarjeta de entrenamiento.

Se obtuvo despliegue digital de datos en los dos costados: Babor y Estribor.

Aunque se tuvieron que hacer un ajuste en el tiempo de despliegue de los nmeros, pues se present un destello. (Rutina de retardo en el programa *.*asm)

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3.3.3. Construccin Final Del Sistema

Se procedi a la fabricacin final del circuito impreso con especificaciones tcnicas en la empresa PROTOTEC en la ciudad de Barranquilla.

Fotografa 5. Tarjeta Principal Impresa.

Fotografa 6. Tarjeta Display Impresa.

Igualmente se procedi con el montaje del cableado (interface entre el sensor y la tarjeta) a utilizar en el buque ARC QUITASUEO, con las caractersticas que a continuacin se describen.

Figura 47. Cable de par trenzado apantallado FTP, categora 5e, 4 pares, solid.

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3.3.3.1. Caractersticas tcnicas: Conductor: alambre de cobre desnudo 0.510.01 mm, 24 AWG.

Aislamiento: polietileno de resistencia incrementada, grosor mnimo 0.18 mm.

Dimetro del cable 0.90.02 mm.

Color de los pares trenzados: azul-blanco/azul, naranja-blanco/naranja, verde-blanco/verde, marrn-blanco/marrn.

4 pares trenzados apantallados con una cinta de hoja de aluminio de 0.025 mm x 20 mm de medida.

El cable tiene un alambre de drenaje de 0.5 mm.

Por fuera el cable est cubierto con un forro de PVC (grosor mnimo del forro 0.4 mm).

Dimetro exterior del cable 5.40.2mm.

Temperatura mxima admisible: 75C

Resistencia al fuego: CM

Resistencia mxima del conductor en temperatura de 20C 9,38 Ohms/100 m

Desequilibrio de resistencia 5%

Capacidad de desequilibrio del par con relacin a tierra 330 pF/100m

Resistencia en frecuencia de 0.772-100 MHz 85-115 Ohms

Capacidad de operacin mxima 5,6 nF/m

Prueba por chispa 2,5 kV

Montaje de componentes en las tarjetas.

Fotografa 7. Tarjeta Display Impresa.

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Fotografa 8. Tarjeta Display Impresa.

A continuacin se ilustra el diagrama general del sistema y sus componentes.

Figura 48. Diagrama de Bloques del sistema de Indicador de ngulo de timn digital

Se efectuaron pruebas en el laboratorio con el montaje construido, verificando cada una de las funciones implementadas:

Funcin Adicional

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Despliegue digital. Botn de test. (S2) Botn de Reset. (S1)

Y como funcin adicional se agreg una comunicacin serial con PC a travs del puerto de comunicacin del microcontrolador 16F877A. Igualmente se hicieron pruebas con el equipo y el PC. Ver anexos en registros fotogrficos.

3.3.4. Prueba final del sistema para ser montado en el Buque ARC Quitasueo

INSTRUCCIONES DE PRUEBA.

Se conecta el equipo a una fuente de poder de 12 Voltios. Se procede a energizar el circuito a travs del interruptor S1 del chasis de la unidad de procesamiento y luego efectuar medicin en la fuente de alimentacin de la tarjeta principal para verificar los +5 voltios. Igualmente se verifica si el Led 1 se encuentra encendido pues este certifica el voltaje de la fuente de poder.

Luego se efecta un test con el pulsador S2 del chasis para verificar el estado del programa del C y el estado de los Display Siete segmentos.

Test: Pulsar S2 por un espacio de 2 segundos y soltar, esperar una secuencia de encendido y apagado de cada uno de los display.

Girar el potencimetro hacia la izquierda y derecha lentamente tomando medicin de voltaje para comparar los valores de la tabla de linealidad. Ver figura 33 Pagina 32

Los valores deben cambiar gradualmente hasta 35 de cada uno de los lados hasta encontrar el smbolo - -(ERROR) que simboliza un parmetro fuera del rango.

Conexin serial al PC. Se conecta el equipo a travs del conector DB9 del chasis de la unidad de procesamiento al puerto serial del PC. Se procede a abrir la aplicacin XMEL126.EXE Se debe Observar el Cambio gradual de los dgitos en el lado activo (color verde o rojo para estribor y babor respectivamente). El lado inactivo es de color gris. Al igual que en la unidad de display, debe aparecer el smbolo - -para parmetros fuera del rango de medicin.

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En el registro fotogrfico se ilustran las pruebas realizadas. Ver ANEXOS

El equipo Funcion a SATISFACCIN. Esta listo para ser instalado en el Buque ARC QUITASUEO.

3.4. LIMITACIONES.

El Cronograma de actividades se desarroll de acuerdo a las posibilidades en la adquisicin de los materiales y disponibilidad del grupo investigador para las visitas al Buque ARC Quitasueo. Debido a esto las limitaciones se basaron bsicamente en el tiempo.

Cualquier Cosa que la mente pueda concebir puede ser lograda W. Clement Stone.

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4. CONCLUSIONES

Con la realizacin del indicador digital de ngulo de timn, se vio reflejado el alto nivel tecnolgico con el cual cuenta el alumnado de la Escuela Naval de Suboficiales colocando en prctica lo aprendido en el aula en una unidad operativa y a la vez quedando a la vanguardia de la tecnologa en el campo de la Navegacin Martima.

Cabe resaltar el empeo puesto de manifiesto y la importancia que tuvo en cada uno de los integrantes el haber explorado el conocimiento, que para alguno de ellos se encontraba inerte.

Documentos escritos; software aplicativos, hiptesis o teoras y diseos por demostrar se fundamentan en el aprendizaje autnomo, muy importante en una Escuela de Formacin que va a la vanguardia en Investigacin y Desarrollo; la creatividad, iniciativa y deseos de superacin, perfil de los estudiantes de esta Escuela Naval Se ve reflejado en cada uno de los proyectos, pero este potencial se puede aprovechar en trabajos de aplicacin que generen doble beneficio; bajos costos en las unidades de la Armada Nacional y autoaprendizaje.

Estas experiencias, el trabajo en equipo, los aciertos y fallos, la lucha persistente en sacar adelante una idea crea intima cohesin entre sus participantes, de sus participantes a su proyecto y por ende de los estudiantes a la Institucin.

El esfuerzo y dedicacin tiende a fortalecer valores Institucionales que a lo largo de la carrera se solidifican y crean una actitud retadora propia de la profesin.

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5. SUGERENCIAS Y RECOMENDACIONES

Teniendo en cuenta la experiencia obtenida en la realizacin del presente proyecto el grupo investigador se motiva en recomendar se incrementen los esfuerzos orientados a la realizacin de proyectos de este tipo motivando y encaminando a los estudiantes a este fin en vista de que el trabajo de campo consolida mas el conocimiento.

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BIBLIOGRAFIA

MALVINO ALBERT PAUL, PRINCIPIOS DE ELECTRONICA 1999 (Sexta Edicin). Libro de teora bsica de Semiconductores escrito por el Ingeniero del West Balley College

MONTOYA DIAZ LUIS GUILLERMO, APLICACIONES CON MICROCONTROLADORES PIC 2004. Libro especializado en aplicaciones avanzadas para programacin de microcontroladores, escrito por el Ingeniero en instrumentacin y Control Egresado del Politcnico Colombiano Jaime Isaza Cadavid

BIBLIOTECA VIRTUAL WIKIPEDIA. Pgina oficial de la empresa Wikipedia que ofrece entornos virtuales para la educacin on-line de nivel tecnolgico http://www.wikipedia.org

INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS. Normas colombianas para la presentacin de tesis, trabajos de grado y otros trabajos de investigacin. Quinta actualizacin. Santa fe de Bogot D.C.:ICONTEC,2002. 126 p. NTC 1486

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PROYECTO DE GRADO DISEO DE TARJETA PARA ANGULO DE TIMON MA1MEL Cabarcas Barrios Jonathan, MA1MEL Castro Mendoza Hugo, MA1 Velsquez Bran Juan D. Barranquilla Junio de 2007.

SITIO WEB MICROCHIP. Pgina oficial de la empresa microchip pionera en el desarrollo de microcontroladores de gama baja, media y alta. Duea de los derechos reservados del entorno virtual MPLAB y de la fabricacin del microcontrolador PIC16F877 utilizado en el desarrollo del proyecto http://www.microchip.com

SITIO WEB ERO-PIC. Pgina oficial especializada en desarrollo de proyectos con plataformas de microcontroladores de la compaa MICROCHIP, diseada por el ingeniero Electrnico Luis Rueda. http://www.ero-pic.com