Integración de kits arduinos enlazados mediante xbee para aplicaciones de cartomagia

Integración de kits Arduinos enlazados mediante Xbee para aplicaciones de Cartomagia

Autor:Javier Abascal Carrasco

Tutor:Jose Ramón Cerquides Bueno

Fecha:Jueves, 8 de Mayo de 2013

Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones

Proyecto fin de Carrera 2

Índice

• 1. Introducción• 2. Antecedentes y motivaciones• 3. Sensor y acondicionamiento de la señal• 4. Procesamiento y envío de la señal• 5. Sistema completo• 6. Funcionamiento y aplicaciones mágicas• 7. Futuras líneas de trabajo• 8. Conclusiones• 9. Referencias


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1. Introducción

• Soporte de pesado sensible (Cartas Póker)– Rápido, fiable y adaptable

• Comunicación inalámbrica con receptor– Instantánea, segura y fiable.


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2. Antecedentes y motivaciones

• Antecedentes: (Por Juan Mayoral)– Robert Houdin (Francés) pionero en el siglo XIX. Electroimán– Anverdi, Klingsor y Christian Fechner– Miniaturización Electrónica moderna y al alcance de todos

• Motivaciones: – Hobby desde el año 2006– Experiencia recibida durante mi formación– Poca diversidad de funcionamiento– Nulo procesamiento de señal


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3. SensorForce Sensitive Resistor (FSR) - Película de polímetro (PTF) - Resistencia variable según la presión ejercida - Baja sensibilidad (enfocado a pulsadores)

Load cells (células de carga) - Elemento activo - Convierte la fuerza ejercida en una señal electrica - Galgas extensiómetricas en configuración puente de Wheatstone - Etapa de amplificación posterior necesaria - Alta sensibilidad

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Sensor


Product Name Load Cell

Rated Load 1Kg/2.2lbs

Rated Output 1mV/V

Zero Output 0.05%F.S

Overall Precision 0.02%F.S

Precision Temperature 0.02%F.S

Working Temperature -10°C~+50°C

Compensated Temperature Range -10°C~+40°C

Safety Overload 150%

Recommend Excitation Voltage 10V DC

Max Excitation VoltageM 15V DC

Total Size 80 x 13 x 12mm / 3.1" x 0.5" x 0.47"(L*W*T)

Thead Hole Diameter3.5mm / 0.138"

4.3mm / 0.169"

Cable Length 230mm/ 9''

Material Aluminium Alloy

Color Silver Tone

Weight 29g

Package Content 1 x Load Cell

3. Sensor

• Load cell adquirida:– 9.89 $/unidad. Desde Mainland (China)– Hoja de especificaciones– Cálculos básicos (1 carta ≈ 1.7g)

• A carga completa (1kg) generamos una salida de 10 mV. Es decir, generamos una señal de salida de:

• El error de precisión (0.02% F.S) produce un error de:

• Lectura de un gramo supera un 500% la precisión del error. Gran margen de seguridad

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gmVg

mV/01.0

1000

10

mVmV

002.0100

02.0·10


3. Acondicionamiento de la señal

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• Puntos a cumplir para generar una señal útil:– 1. Referencias de tensión para el sensor y el amplificador fijas y

estables– 2. Amplificación correcta de la señal de salida de la load cell. Será leída

por el microcontrolador (kit Arduino)– 3. Limitador de tensión para el CAD del kit Arduino 5V– 4. Puesta a cero del sensor

• Soluciones:– Amplificador INA125, reguladores de tensión (LM337 y ua7800) y

diodo Zenner.

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3. Acondicionamiento de la señal. (Amplificación correcta)

• Si ajustamos la amplificación a toda la escala de medida del sensor (10mV):

• Debido a que el CAD del Arduino posee una precisión de 10bits, obtendremos 1024 pasos.

• Al ser el peso de una carta cercano a 1.7g, la salida del CAD no es segura

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unidadesmV

V500

10

5

pasogpasos

g/9765625.0

2

100010

pasomVpasos

V/8828.4

2

510

Número de cartas sobre el sensor

Salida del sensor antes de la amplificación

Salida del sensor tras la amplificación

(multiplicamos por 500)

Lectura del CAD (4.8828 mV/bit)

1 (1.7 g) 1.7g · 0.01 mV/g = 0.017 mV 8.5 mV 1.7408 = 2

2 (3.4 g) 0.034 mV 17 mV 3.4816 = 3

3 (5.1 g) 0.051 mV 25.5 mV 5.2224 = 5

4 (6.8 g) 0.068 mV 34 mV 6.9632 = 7

5 (8,5 g) 0.085 mV 42.5 mV 8.704 = 9

6 (10.2 g) 0.102 mV 51 mV 10.4448 = 10

… … … …


3. Acondicionamiento de la señal. (Amplificación correcta)

• Si ajustamos la amplificación sólo a 60 cartas:

• Ajustamos el peso máximo de la lectura en el CAD a 102 (10% de la carga máxima). La amplificación queda multiplicada por 10. Es decir, 5000 unidades.

• Obtenemos:– La lectura del Cad no disminuye la sensibilidad del sensor– Nos permite equivocarnos incluso en 3 bits– Diferencias entre cartas de 17-18 unidades

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gcarta

gcartas 102

7.1·60

Número de cartas sobre el sensor

Salida del sensor antes de la amplificación

Salida del sensor tras la amplificación

(multiplicamos por 5000)

Lectura del CAD (4.8828 mV/bit)

1 (1.7 g) 1.7g · 0.01 mV/g = 0.017 mV 85 mV 17.408 = 17

2 (3.4 g) 0.034 mV 170 mV 34.816 = 35

3 (5.1 g) 0.051 mV 255 mV 52.224 = 52

4 (6.8 g) 0.068 mV 340 mV 69.632 = 70

5 (8,5 g) 0.085 mV 425 mV 87.04 = 88

6 (10.2 g) 0.102 mV 510 mV 104.448 = 104

… … … …



• Puntos a cumplir para generar una señal útil:– 1. Referencias de tensión para el sensor y el amplificador fijas y

estables– 2. Amplificación correcta de la señal de salida de la load cell. Será leída

por el microcontrolador (kit Arduino)– 3. Limitador de tensión para el CAD del kit Arduino 5V– 4. Puesta a cero del sensor

• Soluciones:– Amplificador INA125, reguladores de tensión (LM337 y ua7800) y

diodo Zenner.

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3. Amplificador INA 125

• Amplificador de instrumentación– Amplificación variable de 4 a 10000 unidades– 4 Referencias de tensión incluidas (1.24V, 2.5V, 5V y 10V)– Offset trimming incorporado Puesta a cero

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3. Diseño del PCB• Programa de CAD EAGLE v6.3.0• Versión de prueba (con limitaciones)• Editor de Layout, editor de esquemas y el autorouter

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3. Diseño del PCB

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4. Kits Arduinos

• Arduino nos ofrece:– Microcontrolador instalado y preparado en una placa– Variedad de pines I/O analógicos y digitales– Compatibilidad con telecomunicaciones inalámbricas (Compatibilidad

Xbee)– Multitud de diferentes opciones según objetivos (energía, tamaño,

compatibilidad…)– Fácil uso, reducido coste y gran soporte

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4. Kits Arduinos

• Productos Adquiridos:– Arduino Duemilanove– Arduino Fio– Dos módulos Xbee y Xbee Shield

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4. Módulos Xbee• Módulos de radio basados en el estándar IEEE 802.15.4• Comunicaciones por aire punto a punto y punto a multipunto a una tasa

de hasta 250 kbit/s• Parecido al protocolo de comunicaciones para redes de sensores Zigbee:

– Bajo consumo de potencia (1mW – 100mW)– Redes con identificadores únicos– 65.000 direcciones para cada uno de los 16 canales disponibles– Rango de hasta 25km

• Módulo elegido Xbee 2mW PCB Antena –Series 2-– Hasta 120m (30 en interiores)– Consumo limitado a 2mW

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4. Programación de los microcontroladores

• Arduino ofrece su propio entorno de desarrollo– Simplifica la conexión con los diferentes módulos– Comprobador de errores, compilador y volcado de texto propio– Lenguaje C/C++ con excepciones

• Funciones a destacar en la programación:– Lectura ánalógica (10.000 lecturas por segundo)

• 2000 lecturas oscilación estable– Activación de los displays 7-segmentos

• Conmutación de 20 ms– Puesta a cero digital (2 lecturas separadas en el tiempo)

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5. Posicionamiento de los elementos

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5. Camuflaje

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6. Funcionamiento y aplicaciones mágicas

• Disponemos de dos lugares donde obtener la información• Pulsadores de control total a distancia• Interruptor de visionado sin manos• Experiencia mágica necesaria para sacar el máximo partido

• Multitud de efectos posibles:– Localización de cartas– Forzajes– Distinguir entre diferentes objetos– Adivinaciones directas– Etc.

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7. Futuras líneas de trabajo

• Versión 1.0• Mejorar la fiabilidad y tamaño• Multitud de cosas por realizar:

– Reunir todos los efectos y técnicas posibles con el dispositivo– Mejorar la programación (Consumo e introducir rutinas)– Ampliar el número de sensores a utilizar (matriz 3x3)– Crear diferentes receptores según las circunstancias (estuche de cartas)– Crear un producto comercial (Maletín todo en uno)

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8. Conclusiones

• Plena satisfacción por el trabajo realizado• Gran adquisición de conocimientos prácticos sobre las

materias recibidas en los estudios universitarios• Agradecer la oportunidad recibida• 32º Congreso Mágico Nacional de Magia

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9. Referencias

• Bibliografía recopilada en el PFC“Integración de kits Arduinos enlazados mediante Xbee para aplicaciones de Cartomagia” (Javier Abascal Carrasco / 24 abril de 2013)

• Gracias por vuestra atención

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4. Módulos Xbee• Configuración de los módulos Xbee• Digi Internacional proporciona el software X-CTU

– Interfaz sencilla– Base de datos con los diferentes módulos existentes

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Comando Descripción Valores válidos Valor por defecto

ID El ID de la red del módulo Xbee. 0 - 0xFFFF 3332

CH El canal del módulo Xbee. 0x0B - 0x1A 0X0C

SH y SL

El número serie del módulo Xbee

(SH devuelve los 32 bits superiores, SL los 32 inferiores). De solo-

lectura.

0 - 0xFFFFFFFF (para ambos SH y SL)

Diferente para cada módulo

MY La dirección de 16-bit del módulo. 0 - 0xFFFF 0

DH y DL

La dirección de destino para las comunicaciones inalámbricas (DH son los

32 bits superiores, DL son los 32

inferiores).

0 - 0xFFFFFFFF (para ambos DH y DL) 0 (para ambos DH y DL)

BD

La velocidad de transmisión usada para las comunicaciones con

el Arduino o el ordenador.

0 (1200 bps) 1 (2400 bps) 2 (4800 bps) 3 (9600 bps)

4 (19200 bps) 5 (38400 bps) 6 (57600 bps) 7 (115200 bps)

3 (9600 bps)

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