LA FOTOCOMPUERTA DE PHYSICSSENSOR Y SU USO

EN DISPOSITIVOS MOVILES

-Construccion y Manejo-

Copyright 2016 para Diego Luis Aristizabal RamırezProfesor asociado con tenencia de cargo

Facultad de Ciencias, Escuela de Fısica

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLIN

Julio de 2016

TEMAS

• Introduccion

• Objetivos

• Digitalizacion del sonido

• Medida de tiempo con la fotocompuerta

• Elementos para la construccion de la fotocompuerta

• Construccion de la fotocompuerta

• Creditos

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1. Introduccion

Fotocompuerta

Figura 1: La Fotocompuerta es uninstrumento que permite medir inter-valos de tiempo muy pequenos. En laparte inferior del plano se muestra lafotocompuerta de la plataforma Phy-sicsSensor la cual puede ser construi-da por los estudiantes con muy bajocosto (US$ 5) y conectada a un dispo-sitivo movil (celular o tablet) el cualmuestrea a 44 100 Hz, se pueden me-dir intervalos de tiempo hasta unos 23µs.

En este modulo se describen los pasos necesarios para la construccion deuna fotocompuerta de bajo costo, Figura 1, que acoplada al PC o al dis-

positivo movil (que es el objetivo presente) a traves de la tarjeta de sonido,permitira la medida de intervalos de tiempo con muy alta exactitud, precisiony con apreciacion del orden de milisegundos y menores .

2. Objetivos

2.1. Objetivo general

Construir la fotocompuerta de la plataforma PhysicsSensor.

2.2. Objetivos especıficos

• Analizar el proceso de digitalizacion del sonido: muestreo y cuantizacion.

• Comprender los fundamentos fısicos del funcionamiento de la fotocompuertade la plataforma PhysicsSensor.

• Explicar como se acopla la fotocompuerta de la plataforma PhysicsSensora los dispositivos moviles (celular o tablet).

• Describir el procedimiento a seguir para la construccion de la fotocompuertade la plataforma PhysicsSensor.

• Dar ejemplos del uso de la fotocompuerta de la la plataforma PhysicsSensor.

3. Digitalizacion del sonido

Cuando se habla de digitalizacion hay que definir dos conceptos: la cuanti-zacion (quantization) y el muestreo (sampling).

Figura 2: Fotocompuerta de Phy-sicsSesnor

3.1. Cuantizacion

Se refiere a la discretizacion del rango de la senal, es decir, al numero de nivelesde la amplitud de esta (numero de niveles en que se parte la amplitud de lasenal analoga correspondiente). Esta discretizacion depende del numero de bitsasignados: a 8 bits le corresponde 28 = 256 niveles, a 16 bits le corresponde216 = 65 536 niveles, a 24 bits le corresponde 224 = 16 777 216 niveles. A esteconcepto se le conoce tambien con el nombre Profundidad de Bit (Bit Depth).

3.2. Muestreo

Se refiere a la discretizacion del dominio de la senal, es decir, al numero demuestras que se toman de la senal analoga correspondiente. El denominadoteorema del muestreo exige que la frecuencia con la cual se muestrea debe sercomo mınimo el doble de la frecuencia mas alta presente en la senal analogaque se digitaliza. En el caso del sonido, la frecuencia mas alta perceptible porser humano es alrededor de los 20 000 Hz, por lo tanto se debe muestrearmınimo a 40 000 Hz para no perder calidad del sonido. Normalmente se mues-trea a 44 100 Hz.

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Como ejemplo, para los Compact Discs el Bit Depth es de 16 bits y la frecuencia de muestreo es de 44100 Hz. Hay sistemas de grabacion de sonido con Bit Depth de 24 bits y frecuencia de muestreo de 96 000Hz. La mayorıa de los dispositivos moviles actuales manejan el audio para frecuencias de muestreo de 44100 Hz y cuantizacion de 16 bits.

4. Medida de tiempo con la fotocompuerta

4.1. Sobre la digitalizacion del sonido

El software de interpretacion de la senal que se introduce a traves de la tarjeta de sonido al dispositivomovil la digitaliza a 8 bits de cuantizacion y 44 100 Hz de muestreo. Esto ultimo permite tomar 44 100datos en 1 segundo o lo que es lo mismo tomar datos cada 23 µs. Con base en esto es posible medirintervalos de tiempo de hasta 23 µs. (0,023 ms).

4.2. Adquisicion del sonido con microfono externo

Para acoplar la fotocompuerta al dispositivo movil se recomienda la tarjeta de sonido externa USB,Figura 3 izquierda, que se conecta al dispositivo con un cable OTG, Figura 3 derecha. En la Figura 4 seilustra la fotocompuerta acoplada al celular a traves de la tarjeta de sonido USB.

Sobre el uso de la tarjeta externa USB Muchos dispositivos moviles soportan OTG pero el sistemaoperativo ANDROID el fabricante no lo configuro para soportar las entradas USB. Por esta razon siemprees necesario verificar esto.

Figura 3: Tarjeta externa USB (su costo es alrededor de US$ 3) a la izquierda. Cable OTG a la derecha (su costo es alrededor deUS$ 2)

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Figura 4: Focompuerta de la plataforma physicsSensor acoplada a una tablet a traves de tarjeta USB externa.

5. Elementos para la construccion de la fotocompuerta

En el cuadro 1 se listan los elementos necesarios para la construccion de la fotocompuerta con unaestimacion de los precios en US$.

Cantidad Descripcion Costos

1 Tubo de 25 cm de 1/2” (media pulgada) para agua caliente (CPVC). US$ 0,40

4 Codos para tuberıa de 1/2” de CPVC US$ 1,20

3 Tapones para tuberıa de1/2” de CPVC US$ 1,00

1 T (Te) para tuberıa de 1/2” de CPVC. US$ 0,50

1 Cable USB (Universal Serial Bus ) macho de 1,5 m (la otra terminal puede ser cualquiera). US$ 1,50

1 LED (Light Emitting Diodes) blanco de chorro de 10 mm. US$ 0,20

1 Resistencia de 220 Ohms. US$ 0,01

1 Cable 1x1 con plug de audıfono de 1.5 m a 2 m de largo. US$ 2,00

1 Fotoresistencia (LDR: Light Dependent Resistor ) de 10 mm de diametro. US$ 0,50

Cuadro 1: Elementos.

Las herramientas necesarias son las siguientes:

• Taladro y brocas de 5/32” y 1/16”.

• Termoencogible de 2 y 5 mm o cinta aislante.

• Silicona termica.

• Multımetro.

• Elementos para hacer soldaduras con estano (Opcional).

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CODO TAPÓN T

CABLE USBLED RESISTENCIA

CABLE QXQPLUG

FOTORESISTENCIA

TERMOENCOGIBLE

MULTIMETRO

Figura 5: Elementos para la construccion de la fotocompuerta de PhysicsSensor

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6. Construccion de la fotocompuerta

6.1. Carcaza o esqueleto

• Tomar el trozo de tuberıa y cortarlo en:

• 2 segmentos de 2.5 cm (Figura 6: a),

• 3 segmentos de 2.8 cm (Figura 6: b) y

• 2 segmentos de 4.5 cm (Figura 6: c).

Figura 6: Carcaza de la fotocompuerta de PhysicsSensor

• Para armar el esqueleto observar la Figura 6.

• Los tapones 1 y 2 deben ser perforados con las brocas de 1/16” y 5/32” respectivamente. En el tapon 3se practican dos perforaciones con la broca de 1/16” para que puedan pasar los cables de audio y USB.

• Antes de continuar con el resto del procedimiento, es necesario pasar los cables a traves del esqueleto.Para ello se toma el cable con el puerto USB macho y se corta la otra terminal. Este se debe introducira traves del tapon 3, se pasa por la estructura y se saca por el brazo que tiene el tapon 2. Luego setoma el cable 1x1 y se corta uno de los dos extremos de este y se pasa por la estructura desde el tapon3 hasta sacarlo por el brazo del tapon 1.

6.2. LED y su alimentacion

• Como fuente de luz se usara un LED alimentado vıa el puerto USB. Dentro del cable USB se encuentran4 cables de menor diametro. Con ayuda del multımetro (midiendo continuidad) se verifica que cablecorresponde a cada uno de los contactos USB, de los cuales solo se usa el primero y el cuarto, Figura 7(a) , para alimentar el LED (los contactos intermedios se usan en el protocolo de comunicacion USBpara transferencia de datos). Por codigo de colores los cables de alimentacion deberıan ser negro para0 V y rojo para 5 V, sin embargo, es muy comun que los fabricantes no respeten este codigo.

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(a) Vista frontal cable USB (b) Diagrama esquemático del cirucuito para el LED

Figura 7: Circuito para el LED de la fotocompuerta de PhysicsSensor

• Siguiendo el circuito esquematizado en la Figura 7(b), se conecta la resistencia de 220 Ohms al cablecorrespondiente a 5 voltios (segun la Figura 7(a)) y el otro extremo a la “pata” mas larga del LED. Laotra “pata” del LED se conecta al cable correspondiente a la tierra del USB. Es importante verificarla polaridad del LED y que todas las conexiones esten bien: para esto basta con conectar el cable a unpuerto USB y verificar que el LED se enciende.

• Aunque no es indispensable es recomendable reforzar las conexiones con soldadura de estano. Tambienes necesario aislar los cables para evitar posibles cortos circuitos, esto se puede hacer con cinta aislanteo tambien con termoencogibles (en cuyo caso se debera introducir el cable dentro del termoencogibleantes de hacer la soldadura).

6.3. La fotoresistencia

• Como detector se usara una fotorresistencia. Estas tambien son conocidas como LDR por sus siglasen ingles; se caracterizan por la disminucion de su resistencia cuando aumenta la intensidad de la luzque incide sobre ellas. Para conectarlas se usara el cable 1x1 que previamente se corto, dentro del cualse encuentran 3 cables de menor calibre. Es necesario utilizar el multımetro para saber a que cablecorresponde cada uno de los contactos del plug.

• Como se observa en la Figura 8(a), los dos contactos del extremo del plug del cable 1x1 se deben poneren corto circuito, pero debe ponerse mucho cuidado de que sı sean los indicados. El resto del montajees conectar los cables a la fotorresistencia siguiendo el esquema de la Figura 8(b) (si se desea se puedensoldar las uniones con estano). Ademas deben protegerse los contactos para prevenir un corto circuito,ya sea con termoencogible o con cinta aislante y fijar la fotorresistencia al otro segmento de tubo (a)de la Figura 6 con silicona, aproximadamente a 1 cm del tapon.

(a) (b)

Figura 8: (a) Plug del cable 1x1 (b) Diagrama esquematico

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• Si se quiere verificar que la fotorresistencia esta bien conectada, se puede medir la resistencia entrelos contactos del plug, tierra y cada uno de los otros dos. Cuando la fotorresistencia esta totalmentea oscuras, la resistencia debe ser del orden de cientos de kΩ (kiloohmios) o mayor y cuando esta bieniluminada, la resistencia puede bajar hasta decenas de Ω (ohmios).

• Al tener todas las piezas listas, se deben apretar todas las partes de tuberıa y poner el tapon 1 a lafotorresistencia, y el 2 al LED, de modo que se obtenga un producto final como el de la Figura 6.

• Para comprobar que la fotocompuerta esta funcionando correctamente se conecta esta (el LED) a unafuente de 5 V DC (puede ser a traves de un cargador de celular el cual esta conectado a la red normalde 110 V) y el plug se acopla a la tarjeta de sonido externa USB (entrada mic) la cual va conectadaal dispositivo movil por el puerto USB, Figura 4. Una vez se logre esto, se activa el SONOSCOPIO dePhysicsSensor (podrıa ser en el modo 4) y se interrumpe seguidamente con los dedos de una mano elhaz de luz de la fotocompuerta para obtener una senal como la de la Figura 9.

Figura 9: Resultados de un prueba

7. Creditos

La fotocompuerta y su debido acoplamiento a los dispositivos moviles fue un desarrollo que se debio a ungrupo de personas quienes en diferentes momentos aportaron a lograr las metas planteadas y las cualesse mencionan a continuacion:

• Ingeniero Fısico Nerio Andres Montoya Giraldo y docente de la Escuela de Fısica de la UniversidadNacional de Colombia sede Medelın.

• Ingeniero Fısico Esteban Velencia Gonzales.

• Ingeniera Fısica Tatiana Munoz Hernandez.

• Ingeniero Fısico Luis Londono Ramırez.

Adicionalmente se agradece a la Maestrıa en Ensenanza de las Ciencias Exactas y Naturales dela Universidad Nacional de Colombia sede Medellın Facultad de Ciencias por aportar continuamente al

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desarrollo de PhysicsSensor.

Tambien agradecimientos a la Escuela de Fısica de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacionalde Colombia sede Medellın por creer en el proyecto PhysicsSensor e incorporarlo a los laboratorios defısica basica en donde se forman los ingenieros de esta sede.

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