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Capítulo 4:

Diseño electrónico

En este capítulo se describirá los pasos que se siguieron para la elaboración

electrónica de los circuitos del prototipo. Las opciones que se consideraron y las decisiones

que se tomaron finalmente.

4.1 Configuración de Sensores de proximidad IR.

Ya terminado el diseño mecánico ahora se enfocó a lo que es el diseño electrónico

para esto se realizaron varias pruebas con distintas configuraciones de diferentes sensores

infrarrojo ya que en un principio fue la opción más viable por el tamaño del prototipo y la

distancia a la que debería de sensar.

Por esto se probó el encapsulado TCRT5000 el cual contiene el emisor y receptor

juntos. Después se le calcularon las resistencias para controlar la corriente que pasa por el

led infrarrojo y un comparador con el fin de caracterizarlo y así el voltaje variara de 0 a

3.2 volts, se probó el sensor y efectivamente nos daba los resultados que queríamos pero

simplemente era un sensor analógico que variaba gradualmente con la distancia y que

además era afectado fácilmente por la luz solar o simplemente por las lámpara del

laboratorio por lo que descartamos la posibilidad de utilizarlo [18].

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Figura 4. 1 configuración con sensor en encapsulado TCRT5000

Con lo anterior nos dimos cuenta que era necesaria una modulación de la luz

emitida por el led y que también la luz detectada por el fototransistor sólo fuera la luz

modulada a cierta frecuencia. Buscando, encontramos el siguiente circuito que utiliza un

fototransistor PNA4502 el cual tiene una modulación interna para sólo detectar la luz a

38KHz. Es decir sólo faltaba hacer la modulación del led infrarrojo como a continuación se

muestra. Era la mejor opción; sin embargo, el circuito ocupaba más espacio del que se tenía

para instalar los sensores en el prototipo, así que se buscaron otros sensores que no

necesitaran de tal circuito modulador [18].

Figura 4. 2 Configuración con sensor en encapsulado PNA4502

Finalmente se encontró el IS471F que es un encapsulado de la marca SHARP.

Este actúa al recibir luz infrarroja modulada a cierta frecuencia, mandando una señal

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lógica dependiendo de su alimentación por ejemplo en este caso se alimento con 4.2 volts y

por la caída en el led su salida era de 3.7 volts. Este sensor cuenta con un modulador

interno en una de sus patas que se conecta al led infrarrojo para modular la frecuencia del

led y así sólo recibe la luz del led modulado y ninguna otra fuente de luz.

Por estas propiedades se decidió implementar este sensor ya que requiere sólo de

un circuito muy sencillo para funcionar, y esto era una gran ventaja ya que en comparación

con los anteriores este sólo requiere de un área muy pequeña.

Se diseñó la configuración en el programa Proteus ISIS 6 Professional y quedó de

la siguiente manera.

Figura4. 3 Diseño de circuito sensor

Ya teniendo la configuración se probó en un protoboard y la distancia a la cual

detecta depende del valor de la resistencia. Los delanteros detectan con una resistencia de

220Ω a una distancia de 4cm. Mientras que los traseros con una de 150 Ω detectan a 6cm.

El circuito funcionó correctamente por lo que se prosiguió a realizar un circuito impreso

para ahorrar espacio y poder colocarlo en el prototipo, el diseño quedo de la siguiente

manera

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Figura 4. 4 Diseño para circuito impreso de circuito sensor

De esta manera se tienen los sensores infrarrojo terminado y colocado con una

distancia de detección de entre 4-6 cm.

Figura 4. 5 Sensores infrarrojos en el móvil.

4.2 Tarjeta Spartan 3: starter board.

Durante el proyecto se utilizó la tarjeta Spartan 3, desarrollada por Xilinx ® tiene la

cualidad de que a un bajo costo y con una facilidad de uso se pueden desarrollar proyectos

de cualquier complejidad. Esta tarjeta está dotada con elementos tales como [19]:

200,000 compuertas Xilinx Spartan-3 XC3S200 FPGA en un encapsulado

XC3S200FT256

4,320 celdas lógicas equivalentes

doce bloques de 18K-bit de RAMs es decir (216K bits)

doce 18x18 multiplicadores en hardware.

Cuatro relojes maestros digitales (CDMs).

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Hasta 173 puertos de entradas/salidas.

contiene una plataforma Xilinx XCF02S de 2Mbit en sistema de configuración

programable PROM

2 puertos de expansión.

Programable por medio de interface JTAG.

Alimentación: 5V a 1200 mA

Los bloques de entradas y salidas (IOB) proveen de un interfaz programable

bidireccional entre los pines de entrada y salida y la lógica interna de los FPGAs . La

figura 4.6 muestra el diagrama simplificado de estos bloques, los cuales se pueden

programar de tres diferentes maneras ya sea como entrada, salida o de tercer estado.

Figura 4. 6 Diagrama de un bloque de entrada o salida

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Todos los parámetros de entrada y salida en las especificaciones del fabricante son

representativos ya que contienen un margen de error por pérdidas del voltaje de

alimentación o por condiciones de temperatura en las cuales se trabaje pero los rangos no

varían mucho de la siguiente tabla.

Tabla 4.1 Rangos máximos de voltaje de la tarjeta spartan 3

4.3 Circuito de alimentación para sensores y puente H .

Como se vio antes la tarjeta spartan 3 sólo soporta voltajes de entrada óptimos de

3.3 v y máximos de 3.75+0.5 V esto es de 4.25V según la tabla anterior, por lo que con la

fuente normal no es posible alimentar a los sensores puesto que el circuito necesita ser

alimentado con 6 V que es con el voltaje que trabajan los motores de CD y los

servomotores del móvil. Fue necesario utiliza un regulador de voltaje positivo a 3.3 volts

de Texas instruments es el UA78m33 el cual tiene la capacidad de regular voltaje desde

5v hasta 25 v con una salida regulada fija de hasta 3.3 volts los cuales de acuerdo a lo que

antes se dijo es soportada por la tarjeta Spartan 3.

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La configuración utilizada para el regulador es la aplicación más usada en circuitos,

utilizando el 78m33 y dos capacitores de uno de la entrada al común y otro de la salida al

común, esto para que El capacitor C1, filtra la tensión del rectificador, mientras que el

capacitor C2 desacopla la alimentación como se muestra en la figura.4.7.

Figura 4. 7 Configuración de Regulador de voltaje a 3.3V

Con esto se tiene la alimentación de los sensores ya que como anteriormente se dijo

la salida del sensor depende de la alimentación y esta salida tenía que ser 3.3 V por la

entrada que admite la tarjeta de control del FPGA.

Como se ve en la figura 3.2 el sistema tiene motores de CD ya que estos servirán

para un desplazamiento más rápido en terrenos planos y poco accidentados. Para el control

de estos motores es necesaria la utilizacion de un Driver bidireccional que soporte la

corriente que dadas las caracteristicas de los motores en promedio es de 100mA por cada

uno. Para solucionar esto se buscó entre varios drivers y configuraciones de puentes H. En

primera instancia se encontró un driver bidireccional L298N el cual contiene dos

configuraciones similares a un puente H como se vio en el capítulo 2 y que se alimenta de 5

a 46 V y puede entregar una corriente de hasta 3A. (figura 4.7)

VI1

VO3

GN

D2

U17805 C2

100n

C1

330n

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Figura 4. 8 Configuracion interna de driver L298N.

Donde se tiene una lógica similar a la de un puente H con la diferencia que tiene una

entrada EN (enable) ya que con esta entrada se puede controlar la velocidad, además de la

direccion, al mismo tiempo la dirección siguiendo la lógica de la tabla 4.1, mientras que la

velocidad con un PWM en esta pata del integrado. Sin embargo, como estamos usando un

motorreductor no hay necesidad de controlar la velocidad así que ésta entrada se mantiene

en 1 lógico siempre

.

ENTRADAS FUNCIONES

VEN

= 1 logico

IN1=1logico : IN2=0logico ADELANTE

IN1=0logico : IN2=1logico ATRÁS

IN1=1logico : IN2=1logico MOTOR DETENIDO

VEN

= 0 logico

IN1=No importa

IN2=No importa

MOTOR LIBRE

Tabla 4.2 Lógica para driver.

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Se realizó el circuito para la configuración de control bidireccional de un motor en

el protoboard y posterior mente en circuito impreso, sin embargo después de leer la hoja de

datos se detecto un problema y es que por el voltaje de control mínimo del driver que es

de 4.5V y la diferencia de salida de la tarjeta de control que es de 3.3V la polarización del

driver algunas veces si se realizaba y en otras ocasiones no. Por lo que se decidió no utilizar

este circuito integrado.

Finalmente se encontró una configuración de puente H, que aunque es un poco más

elaborada es también muy funcional. La figura 4.9 muestra esta configuración la cual

sigue la misma lógica que la tabla 4.2 sin el enable.

Figura 4. 9 Configuración final de driver [20].

Es sabido que el sentido de un motor de corriente directa depende esencialmente de

la polarización de sus terminales y por ende del sentido en el que pasa la corriente por

medio del motor. Por lo que para el control de los motores se utilizó el puente H con

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transistores TIP ya que la función de los transistores es abrir y cerrar el paso de corriente,

como si fueran interruptores. El funcionamiento de este puente H para el avance de un

motor de CD es por medio del control del circuito, poniendo 3.3V en la entrada de avance y

0V en la de retroceso. De esta manera se realiza la polarización del transistor Q1 por la

circulación de la corriente en la base de este transistor para llevarlo a saturación y

posteriormente Q1 polarice de igual forma a Q2 y Q5 y así la corriente pasa del punto “a”

al punto “b” moviendo el motor en un sentido.

.

Con toda esta información se realizó una simulación animada del puente H en el

software Proteus con lo que se vio el buen funcionamiento de este circuito.(Figura 4.10)

Figura 4. 10 Simulación del puente H

Posteriormente ya simulado el driver se sumó a este circuito los reguladores de

voltaje a 3.3V para la alimentación de los sensores. Se realizaron dos circuitos impresos

con un puente H y alimentación para dos sensores cada uno, ya que aunque tenemos cuatro

Q1

TIP32

Q2TIP32

Q3

TIP31

Q4TIP31

D1

1N4004

D2

1N4004

D3

1N4004

D4

1N4004

R127R

R2

27R

R41k

R31k

Q72N2222

Q5

2N2222

+88.8 +88.8

B112V

B23.3V

SW1

SW-SPDT

SW2

SW-SPDT

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llantas el comportamiento de las dos llantas del lado izquierdo y las dos llantas del derecho

se comportan de igual manera (Figura 4.11).

Figura 4. 11 Circuito de driver con reguladores de voltaje.

Finalmente se realizó el circuito impreso en el software ARES (figura 4.12) y se

manufacturó. Con lo que se culmina con el diseño electrónico.

Figura 4. 12 Diseño de Circuito Impreso Final en ARES e Impreso Terminado e instalado en móvil.

Q1

TIP32

Q2TIP32

Q3

TIP31

Q4TIP31

D1

1N4004

D2

1N4004

D3

1N4004

D4

1N4004

1

2

J1

SIL-156-02

R127R

R2

27R

R41k

R31k

12

J2SIL-156-02

Q72N2222

Q5

2N2222

1 2 3

J3CONN-SIL3

1 2 3

J4CONN-SIL3

1

2

3

J6

CONN-SIL3

1

2

3

J5

CONN-SIL3

VI1

VO3

GN

D2

U17805

61

4.4 Diagrama electrónico general del sistema.

En la imagen 4.13 se muestra el diagrama electrónico general del móvil. Se tienen las

entradas de los sensores y switches que mandan las señales al FPGA, el cual toma las

decisiones programadas y de acuerdo con esto envía las señales de salida que pasan a través

del puente H si son para los motores de CD o si son los PWM estas señales pasan por la

tarjeta de conexión con los servos.

Figura4. 13 Diagrama general del diseño electrónico.