SEP SNEST DGEST

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE CIUDAD JUÁREZ

Título del Trabajo:Propuesta de conciliación de grupo disciplinario de investigación

aplicada en el área electrónica para el diseño y fabricación de estaciones meteorológicas y sus respectivos accesorios

utilizando sistemas embebidos

Proyecto de Residencia ProfesionalQue Presentan

Alumnos:Hernández Lepe José Pascual

Ortiz Reyes Manuel

No. Control:0411091705110038

Nombre del Asesor Interno:Ing. Efraín Herrera Rodríguez

Carrera:Ing. En Electrónica

Ciudad Juárez, Chihuahua, México. Agosto del 2011

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Agradecimiento

Le agradezco a mis padres por el apoyo que me han dado a lo largo de toda la

carrera; así como al instituto tecnológico de ciudad Juárez por la oportunidad de

llevar acabo mis estudios, al departamento de electrónica por haberme dado la

oportunidad de hacer mis residencias en el mismo; por ultimo al ingeniero

Sebastián pinto Sepúlveda por haberme proveído un proyecto de residencias y

haberme asesorado para poderlo llevar a cabo.

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Resumen

El 17 de marzo del año 2011 comenzamos con el proyecto de la maquina

atmosférica para el diseño de sensores que se puedan utilizar en el ámbito

ambiental, como son los sensores de velocidad del aire, sensores de dirección del

viento y sensores de humedad.

Se hicieron los cálculos para los componentes adecuados y se escogieron los

componentes que mejor nos funcionaran, después se diseñaron en el software

circuitmaker para después elaborarse las tablillas impresas.

Este proyecto lleva por título “Propuesta de conciliación de grupo disciplinario de

investigación aplicada en el área electrónica para el diseño y fabricación de

estaciones meteorológicas y sus respectivos accesorios utilizando sistemas

embebidos”; que abarca todo el proceso de diseño de los sensores de la máquina

meteorológica, que son el sensor de velocidad del aire, el sensor de dirección del aire

y el sensor de humedad; lo cual es la razón del nombre.

Este proyecto lleva por título “Propuesta de conciliación de grupo disciplinario de

investigación aplicada en el área electrónica para el diseño y fabricación de

estaciones meteorológicas y sus respectivos accesorios utilizando sistemas

embebidos”; que abarca todo el proceso de diseño de los sensores de la máquina

meteorológica, que son el sensor de velocidad del aire, el sensor de dirección del aire

y el sensor de humedad; lo cual es la razón del nombre.

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El presente trabajo consiste en la investigación y desarrollo de sensores para

estaciones atmosféricas de bajo costo así como su desarrollo tecnológico cuyo

objetivo sea la implementación de los sistemas de diseño en la ingeniería aplicada

del ámbito ambiental y climatológico, con un enfoque conceptual hacia las bases

metodológicas y estrategias de desarrollo tecnológico de bajo costo, en el cual se

vean implicadas las áreas de ingeniería electrónica, eléctrica y mecatronica y sus

respectivas especialidades de automatización y control, con lo cual en un futuro

se puede desarrollar proyectos productivos y se logre motivar la competitividad y

puesta en práctica en las competencias de la carrera mencionadas con una visión

a la implementación de conceptos multidisciplinarios, para el beneficio de nuestra

sociedad y las futuras generaciones de nuestra institución.

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Índice

1. Introducción 6

2. Antecedentes 7

3. Definición del problema 9

4. Objetivos 11

4.1. Objetivo General 11

4.2. Objetivo Específicos 12

5. Justificación 13

6. Metas 14

7. Hipótesis o supuesto 15

8. Desarrollo de fundamentos 16

8.1. Fundamento teórico 16

8.1.1. Estación de monitoreo ambiental 16

8.1.2. Circuit Maker 17

8.1.3. La Simulación 20

8.1.4. Configuración de Análisis AC 22

8.1.5. Agilent VEE Pro 6.0 32

8.2. Fundamento Contextual 37

9. Método 42

10. Resultados 44

11. Conclusiones y Recomendaciones 45

12.Cronograma 46

13.Recursos necesarios 47

14.Lugar de desarrollo del proyecto 50

15. Bibliografías y Fuentes consultadas 52

16. Anexos 53

16.1. Anexo A galería de imágenes 53

16.2. Anexo B hojas de datos 59

17. Glosario 85

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Introducción

En la actualidad se necesitan de nuevos proyectos para el mejoramiento y el

avance de nuestra sociedad por lo cual nosotros decidimos elaborar el siguiente

proyecto ya que en la actualidad hay maquinas atmosféricas demasiado costosas

y que no están al alcance de una institución pública.

La idea de que nosotros propusiéramos la siguiente investigación basándonos en

el modelo con el que cuenta la institución el cual es ELE Internacional 900 es la

implementación de un sistema para la medición de eventos climatológicos y así

poder tener alguna noción de lo que ocurrirá en nuestro entorno y poder prevenir

catástrofes.

Otra de nuestras ideas fue que con el proyecto se pueda beneficiar la institución

de tal manera en la que otros compañeros puedan participar y darle seguimiento

contribuyendo con más información e ideas para esta investigación.

En este momento en México requiere de nuevas alternativas en el desarrollo de la

fabricación, diseño y automatización la generación de sistemas de análisis y

medición de los parámetros ambientales, principalmente las zonas o regiones en

donde cambios bruscos de temperatura y aspectos ambientales son de

condiciones extremas.

Aprovechando las oportunidades que actualmente existen para el desarrollo de

tecnología local en relación a los aspectos ambientales, las cuales, en conjunto

con los datos o condiciones de análisis estadísticos provenientes de las

estaciones meteorológicas, podríamos generar espacios de foros y debates sobre

los aspectos ambientales que acongojan a nuestra sociedad y por ende, técnicas

a como se están adquiriendo dichos valores estadísticos y propuestas de nuevas

técnicas para la adquisición de datos estadísticos provenientes por este tipo de

equipo o maquinaria, logrando así, una retroalimentación en conjunto entre

estadísticas, ingenierías y ambientalistas.

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Antecedentes

Dentro de la definición de competencias profesionales , se obtiene que la

institución desde el punto de vista de la formación de competencias será el

proceso para la innovación, investigación y creatividad, para innovar de alguna

manera y adquirir más conocimiento, la escuela debe de implementar las formas

de llamar la atención del alumno con una enseñanza mas practica y dejar que los

alumnos aprendan a resolver problemas más complejos y así ellos puedan tener

un amplio portafolios de opciones para su aprendizaje.

Basado en este concepto, se propone crear un espacio o laboratorio dedicado a la

generación y diseño de estaciones o equipos con aplicaciones de embebidos en

todos los conceptos de cambios y necesidades de nuestra sociedad. Y que a su

vez, nos proporcionen las condiciones asía la oportunidad de desarrollar tanto

técnicas como procedimientos para estas áreas.

La primera propuesta estará condicionada como un primer nivel en la generación

de las estaciones meteorológicas las cuales tengan la capacidad de adquirir a

través de sensores las condiciones climatológicas como lo son la velocidad del

viento, la medición de la temperatura ambiental y los factores de humedad

relativa.

Cabe mencionar como referencia, que actualmente el departamento de eléctrica -

electrónica no cuenta con un área o espacio dedicado a ese tipo de actividades o

proyectos de investigación documentados con esta características, por lo que al

no existir los mencionados nos da la oportunidad para el desarrollo de la técnica

de fabricación, diseño e implementación en el campo de ese tipo de proyectos, y

que a su vez nos dará el mecanismo para la continua participación en este tipo de

convocatorias.

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Las ventajas que nos proporcionara este tipo de equipos desde la perspectiva de

la docencia será:

1. Herramientas para la fabricación de circuitos electrónicos.

2. Utilización en fines prácticos la condiciones para poner en práctica las

herramientas y técnicas de los sistemas embebidos.

3. Oportunidades para que alumnos puedan desarrollar sus prácticas.

4. Datos estadísticos sobre las condiciones climatológicas dentro del campus

y zonas donde desarrollemos condiciones o prueba de campo.

5. Enfoque educativo al uso de las competencias profesionales de las

materias de mecatronica, electrónica analógica y digital, sistemas

embebidos, programación estructurada y las especialidades de la

ingeniería ambiental.

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Definición Del Problema

En este proyecto pretendemos llevar a cabo el diseño de sensores que se puedan

utilizar en el ámbito ambiental tales como el ya existente anenometro que mide la

velocidad del viento el de dirección que mide hacia donde corre el viento y el que

mide el porcentaje de humedad en el ambiente y compararlos con el diseño que

maneja el instituto que es el ELE Internacional 900 el cual según investigaciones

anteriores ya es una maquina obsoleta.

Impacto o beneficio en la solución a un problema relacionado con el sector

productivo o la generación del cono cimiento científico o tecnológico.

El proyecto tiene la intención de contribuir a la generación de conocimiento en el

área de ingeniería electrónica atreves de la implementación de los sistemas

embebidos y los diferentes sensores (humedad, temperatura, velocidad de viento,

etc.). Los cuales dan como resultado una realidad en aplicación prácticas de

campo.

Proporcionara una herramienta más a los estudiantes que desean titularse a

través las opciones de residencia profesional por medio de un proyecto productivo

con es el caso de un proyecto práctico y palpable que tiene la combinación de:

a) Problemas ambientales.

b) Condiciones climatológicas.

c) Sensores de respuesta.

d) Ingeniería aplicada al caso de micro controlador.

e) Herramientas de simulación.

f) Diseño electrónico, mecánico, he industrial.

g) Datos estadísticos.

h) y oportunidades para trabajar en grupos multidisciplinarios dentro del

instituto.

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Estas residencias son importantes porque es la primera propuesta que genera el

departamento de Ingeniería Eléctrica - Electrónica en el instituto tecnológico de

Ciudad Juárez de este tipo, esto generara una inercia de investigación en otras

áreas de la ingeniería, además se podrá acercar a los estudiantes a temas de

investigación aplicada tanto actuales y novedosos, creando así:

1. Una cultura por la investigación lo cual puede propiciar un mayor interés en

el desarrollo de proyectos de impacto social, ambiental e institucional.

2. Mayor motivación a que los alumnos se amalgamen con temas de

desarrollo de tecnología.

3. Motivación para que los alumnos continúen con estudios de posgrado.

4. He integración tanto docentes como alumnos para que estos se

identifiquen con un proyecto y sean parte de una identidad institucional.

El proyecto es altamente factible, ya que los recursos económicos y de

infraestructura requeridos son mínimos (1 o 2 equipos de cómputo, bibliografía y

un cubículo o área para el desarrollo de investigación), además se cuenta con un

fuerte apoyo de la planta docente del área de ingeniería electrónica.

El proyecto está alineado con la línea de investigación del departamento de

ingeniería electrónica:

“Sistemas Embebidos”

Ya que las estaciones meteorológicas su corazón motriz es la implementación de

microcontrolador, equipo de cómputo y por ende, sistemas electrónicos

embebidos de propósito general.

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Objetivos

Objetivo General

Como objetivo principal de este proyecto de residencias se pretende dar

dinamismo al área de ingeniería electrónica en la implementación de diseño de

sensores meteorológicos en el ámbito funcional o/y área de campo esto a través

de la fabricación de estaciones meteorológicas de bajo costo, y que

adicionalmente, lograr la participación de diferentes carreras como son ingeniería

electrónica, eléctrica y mecatronica así como sistemas computacionales, docentes

y estudiantes, y que estos se vean beneficiados a través de la generación de

residencias profesionales e investigaciones de campo funcional.

Se pretende crear una red interna de estudiantes y docentes para que estos se

involucren en las actividades de diseño electrónico, depuración de programas y

algoritmos de programación para sistemas embebidos, diseño industrial he

incursión de las especialidades de ciencias básicas (matemáticas, física,

estadísticas, etc.) y que toda la información generada por los involucrados, poder

aplicar a estudiantes más avanzados.

Contribuir a la línea de investigación del departamento de ingeniería Eléctrica -

Electrónica de este instituto, con investigación, ponencias, y publicaciones en

congresos nacionales e internacionales.

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Objetivo especifico

Se utilizaran las herramientas con las que se cuentan en el laboratorio de

electrónica, como los programas que se manejan en las diferentes carreras de

ingeniería con las que se cuentan en el instituto tecnológico de ciudad Juárez.

Utilizar herramientas de programación como es” codewarrior development studio”

para la familia de micro controladores freescale.

Desarrollar el modelado matemático para la fabricación de las tablillas

electrónicas y la generación de los diferentes gerber files y neutral files.

Desarrollo y fabricación de los censores para la medición del viento, y generar así,

las condiciones de especificaciones técnicas, modelado matemático y diseño

industrial de los mismos sensores.

Desarrollo de pruebas funcionales utilizando “vee pro” o labwindows/cvi las cuales

tengan la capacidad de generar las condiciones de medición y adquisición de

datos en tiempo real.

Utilizar herramientas como orcad, circuitmaker, traxmaker y eagle para la

modelación y simulación de los circuitos electrónicos.

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Justificación

Pretendemos emplear todos los conocimientos adquiridos a lo largo de la carrera

para poder diseñar, simular y elaborar los sensores de velocidad del aire,

dirección del viento y porción de humedad, para podamos con esta investigación

se pueda en un futuro poner en funcionamiento y se puedan hacer predicciones

meteorológicas y que con esta investigación le sirva a nuestra comunidad y ha

esta institución.

También se pretende generar el marco teórico así como las bases con el cual se

desarrollara el proyecto.

Generar y diseñar los sensores con los modelos óptimos que se utilizaran para el

desarrollo y la implementación del proyecto.

Comprobación de la funcionalidad de los sensores con las condiciones optimas

seleccionadas y diseñadas para el desarrollo y buen funcionamiento del proyecto

para llegar a las metas deseadas.

Prueba de los sensores para la funcionalidad y generación de la documentación

final para poder comprobar los resultados y tener una evidencia.

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Metas

1. Generación de modelación y simulación para la fabricación de circuitos

electrónicos o tablilla electrónica.

2. Generación de modelación y simulación para la implementación de micro

controladores de 8 & 16 bits de la serie freescale para la adquisición de

datos análogos proveniente de los censores de humedad, temperatura y

velocidad de viento y adjuntar todas estas condiciones dentro de un código

embebido en los micro controladores.

3. Generación de algoritmos matemáticos y tablas de proyecciones para las

funciones de humedad relativa partiendo de los parámetros de 0% RH

hasta 100% RH.

4. Generación de los diseños mecánicos sobre las condiciones externas he

internas de la estación meteorológica.

5. Generación de diagramas de conexión, manual de uso y funcionamiento de

la propia estación meteorológica.

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Hipótesis

En la actualidad México requiere de nuevas alternativas en el desarrollo de la

fabricación, diseño y automatización la generación de sistemas de análisis y

medición de los parámetros ambientales, principalmente las zonas o regiones en

donde los cambios bruscos de temperatura y aspectos ambientales son de

condiciones extremas.

Aprovechando las oportunidades que actualmente existen para el desarrollo de

tecnología local en relación a los aspectos ambientales, las cuales, en conjunto

con los datos o condiciones de análisis estadísticos provenientes de las

estaciones meteoro lógicas, podríamos generar espacios de foros y debates

sobre los aspectos ambientales que acongojan a nuestra sociedad y por ende, las

técnicas a como se están adquiriendo dichos valores estadísticos y propuestas de

nuevas técnicas para la adquisición de datos estadísticos provenientes por este

tipo de equipo o maquinaria, logrando así, una retroalimentación en conjunto entre

estadísticas, ingenierías y ambientalistas.

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Desarrollo de fundamentos

Fundamento Teórico

Estación de Monitoreo Ambiental

ELE es un fabricante líder de la prueba y el control de instrumentación para la

industria de la construcción y el medio ambiente. ELE ha sido la fabricación de

estaciones meteorológicas automáticas durante 15 años y ha suministrado

sistemas para la mayoría de países de todo el mundo.

La Estación de Monitoreo Ambiental (SGA) proporciona un método fiable y

rentable de registro de datos meteorológicos y ambientales.

El EMS es un sistema profesional que combina un alto rendimiento con flexibilidad

y facilidad de uso.

• Amplia gama de registradores de datos

• Gran variedad de sensores

• Marcos y torres de 2 a 10 metros de alto

• La batería, red eléctrica y solar opciones de alimentación

• Comunicación por PC portátil por cable, a un PC fijo, teléfono, teléfono móvil, o

un enlace de radio

• Una gama de más de 30 sensores estándar está disponible. Otros sensores se

pueden utilizar en función de sus las Características.

Para el proyecto de FOREMMS esperamos utilizar un sistema compuesto por

registrador de datos, sensores, el módem de comunicación, el marco y fuente de

alimentación. El estándar MM900 serie registrador de datos se utiliza debido a su

flexibilidad de agregar sensores según sea necesario.

La elección de los sensores dependerá de los resultados de la investigación

llevada a cabo en la primera parte del proyecto FOREMMS.

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Es de esperar que los parámetros meteorológicos tales como temperatura,

humedad, precipitación y velocidad del viento a medir. Otros parámetros, como la

radiación solar, temperatura del suelo y la humedad del suelo se pueden medir.

Puede haber algo de desarrollo de sensores necesarios para satisfacer las

necesidades específicas del proyecto.

Los datos se pueden recuperar usando módems telefónicos en la red móvil GSM.

Software será modificado para permitir la recolección automática de datos y la

transferencia de la base de datos FOREMMS. Se espera que los sistemas vayan

a ser alimentado por la red eléctrica con batería de respaldo. Donde la red

eléctrica no está disponible con baterías de cargadores solares se pueden utilizar.

CircuitMaker

Para los que no disponen de los aparatos de medida necesarios, como

osciloscopio, o simplemente queremos tener una idea muy aproximada de lo que

hace un circuito antes de coger el estaño y el soldador, existen multitud de

simuladores en el mercado. Sin duda, uno de los más completos es el conocido

PSPice, pero es más difícil de manejar, de modo que el aprendizaje puede

constituir una tediosa tarea.

He probado unos cuantos simuladores, desde Electronics Workbench en sus

comienzos, a finales de los ochenta, hasta el PSPice, pasando por Microcap y

finalmente CircuitMaker. Es sencillo de utilizar, y sobre todo, incluye válvulas de

vacío para poder simularlas inmediatamente sin tener que implementar un modelo

o un símbolo esquemático.

La versión utilizada será CircuitMaker Pro v6.2c y CircuitMaker 2000 en algunas

ocasiones, siendo la versión 6.1c idéntica a la 6.2c salvo en algunos detalles, y

con el famoso bug que permite cerrar un diseño sin darnos la opción de poder

guardarlo, cosa que fue corregida en la última versión.

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El programa corre bajo Windows 2000 en mi máquina sin ningún problema.

Vamos a comenzar simulando un sencillo puente rectificador de diodos de silicio.

Con el programa recién abierto y la página en blanco, pulsamos:

"select device"

(fig. 1)

Seleccionamos el “Device FW Bridge” (puente rectificador) y el “Model Default

Bridge" que es una modelización idealizada, que incluye menor número de

parámetros que otros modelos más complejos, y más parecidos a la realidad

como se muestran en la fig 1.

Para atacar al puente, utilizaremos un generador senoidal, y que obtenemos

mediante la tecla rápida, pulsando directamente "g" o bien como antes, "select

device" y elegimos la secuencia "instruments - Analog - Signal Gen".

Por último, vamos a incluir una resistencia y un condensador pulsando las teclas

"r" y "c" respectivamente. Observar cómo podemos girar un componente antes de

situarlo en el plano mediante el botón derecho.

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Tenemos ya los componentes, ahora presentaremos un ejemplo de un programa

de circuitmaker para esto montamos el circuito siguiente como se muestra en la

fig. 2:

(fig.2)

Colocamos los componentes como en el dibujo. Podemos borrarlos simplemente

pinchando con el cursor y pulsando suprimir, y moverlos pinchando y arrastrando.

Así de fácil.

Para unirlos mediante hilo conductor seleccionamos el botón con una cruz +, el

cursor cambia automáticamente su aspecto de flecha por el de una cruz, que nos

indica que estamos en modo "wire". Nos situamos en un extremo de cada

componente hasta que aparece un recuadro de color rojo, pinchamos y

arrastramos hasta el otro extremo del componente con el que queremos

establecer unión y soltamos. Podemos enderezar el hilo pinchando y arrastrando.

Si os aparecen puntos de unión "dots" en cada componente, podéis eliminarlos

mediante "File - Preferences" y quitar el check a la opción "show pin dots".

CircuitMaker, como todos los simuladores, necesitan forzosamente una tierra.

Todos los circuitos que queramos simular, deberán contener al menos una y

servirá al programa como nodo de referencia y que llama "nodo cero".

Obtenemos una tierra con la tecla cero "0".

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Vamos a dar valores a cada componente. Haciendo doble clic sobre cada uno de

ellos:

Generador de señal:

"peak amplitude" = 25 (25 voltios pico = 17.68 Vrms)

"frequency" = 50

Pulsamos "OK"

Condensador:

"Label-Value" = 470u (u = micro, n=nano, p=pico, m=mili, meg=mega, k =

kilo)

Pulsamos "OK

La simulación

Tenemos todo listo para comenzar la simulación. Para comenzar, pulsamos F10 o

mediante el menú "Simulation - Run" o con el botón del muñeco corriendo. Si todo

va bien, nos aparece la siguiente pantalla (fig.3.1y3.2):

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(fig.3.1y3.2)

Vamos a ver con más detalle el rizado en bornas de R1. Para obtener una

"ampliación" del rizado, nos fijamos en el gráfico del "transient analysis" y

elegimos el tramo que va desde los 15 hasta los 40 milisegundos, en que la

corriente ya está estabilizada.

Detenemos la simulación pulsando el botón "Stop". Configuramos la simulación

con "Simulation - Analyses Setup..."

Quitamos el check a la opción "Always set defaults for..." y pulsamos el botón

"Transient/Fourier" donde especificamos los siguientes parámetros:

Start Time: 15m

Stop Time: 40m

Pulsamos OK, Exit y volvemos a simular.

Ahora obtenemos un análisis transitorio con este aspecto (fig.4):

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(fig.4)

Podemos desplazar los cursores "a, b, c, d" que nos serán útiles para medir

distancias y frecuencias. Situando los cursores a y b en dos picos consecutivos,

nos indicará la frecuencia del rizado, que como sabemos es el doble que la

frecuencia de la corriente alterna que rectificamos. Situando los cursores c y d en

los valores máximo y mínimo de la gráfica, nos da el valor pico a pico del rizado.

En nuestro caso, 448.5 mV.

Se obtiene una curva más precisa si entramos de nuevo en "Analyses setup -

Transient/Fourier" y elegimos un "Max. Step" menor que el tamaño actual, que si

no lo hemos tocado será de 400us. Poner 50us y la curva se afinará bastante.

Parámetros de un amplificador.-Vamos a simular un amplificador de una etapa

en emisor común (EC) y averiguaremos sus parámetros más significativos,

impedancia de entrada y salida, ganancia, THD% y PSRR (fig.4).

(fig.4)

Montamos el circuito de la figura, cuyo transistor es el modelo "ideal". RL

representa la carga de la etapa siguiente. Configuramos el análisis Transitorio y el

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análisis AC poniendo un check en cada una de estas casillas en el menú

"Simulation" - Analyses Setup.

Configuración análisis AC

Start Frequency = 1 Hz

Stop Frequency = 100 kHz

Test Points = 50

Sweep = octave

Ejecutamos la simulación y seleccionamos la ventana AC Analysis (Bode Plot) y

después, con la herramienta Probe Tool pinchamos en el nudo donde RL y C2 se

unen, dibujándose la gráfica de ganancia a través del rango de frecuencia

seleccionado (1Hz-100 kHz). Por defecto, el gráfico se muestra con el eje YY en

"magnitud", y nos interesa verlo en decibelios (dB).

Para ver la ganancia en dB pulsamos sobre el icono que aparece en la parte

superior izquierda y elegimos Y axis = decibels. Nos aparecerá la siguiente gráfica

(fig.5):

(fig.5)

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Podemos situar los cursores donde más convenga; el cursor "c" indica una

ganancia de 19.67 dB y el ancho de banda es todo el rango audible, desde los 20

Hz hasta los 100kHz.

El hecho de haber utilizado un transistor NPN "ideal" hace que la ganancia se

extienda hasta altas frecuencias sin problemas, al no existir capacidades

parásitas entre uniones. La disminución de la ganancia a frecuencias inferiores a

20 Hz es debida a los condensadores de acoplamiento C1 y C2, y que podemos

experimentar variando sus valores (fig.6).

(fig. 6)

Cálculo de la impedancia de entrada.- Para averiguar este parámetro montamos

un generador de señal allí donde queremos hallar la impedancia, en nuestro caso

ya tenemos uno (V1) montado en el nudo adecuado. Se trata de ejecutar una

simulación que incluya, como el anterior análisis, el análisis transitorio y el análisis

AC. La diferencia estriba en donde seleccionamos con la herramienta "Probe

Tool" . Seguimos los siguientes pasos:

- Ejecutamos una nueva simulación con Análisis Transitorio y Análisis AC.

- Seleccionamos la ventana "AC Analysis (Bode Plot)"

- Desplazamos el cursor sobre las bornas de salida del generador de señal, y

observamos cómo el probe tool indica alternativamente V, Z, I, P, dependiendo de

lo que queramos medir, V tensiones, Z impedancias, I intensidades y P potencias.

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En nuestro caso, pinchamos justo cuando el probe tool indica "Z", con lo que se

dibujará un diagrama de impedancias en la ventana correspondiente.

Para visualizar el diagrama convenientemente, podemos configurarlo mediante el

botón

La Zin medida por CircuitMaker vale 2kohm.

Impedancia de salida.- Necesitamos un generador de señal situado en la salida,

tal como muestra el esquema (fig. 7):

(fig.7)

Al igual que antes, desplazamos el probe tool en los terminales del generador de

señal y pinchamos cuando aparece la letra Z sobre el mismo.

La impedancia de salida que mide CircuitMaker es de 90 ohmios, tal como

muestra la imagen siguiente (fig.8).

(fig.8)

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Medida del PSRR.- Es importante conocer el PSRR (Power Supply Rejection

Ratio) o sea, la razón de rechazo del rizado proveniente de la fuente de

alimentación, para así poder evaluar cuál es la cantidad de rizado que es

admisible en la fuente que alimenta este amplificador.

Conociendo la relación señal/ruido que deseamos, por ejemplo 80 dB, es fácil

determinar entonces que cantidad de rizado es admisible en la alimentación.

El montaje para hallar el PSRR es el siguiente (fig.9):

(fig.9)

Necesitamos alimentar con una señal continua pero con una componente alterna,

que simulará el rizado de la fuente de alimentación, y que mediremos a la salida

convenientemente.

La frecuencia de la señal de rizado es siempre el doble que la frecuencia que se

rectifica, en España la frecuencia de la red de alimentación es de 50 Hz, y en

otros países europeos es de 60 Hz.

La corriente continua la simulamos poniendo un DC Offset de 20 Voltios y con una

tensión senoidal de 100 Hz de 1Vpico a pico que represente al rizado proveniente

de la fuente de alimentación.

Configuración del generador de señales V3 (fig.10):

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(fig.10)

Ejecutamos una nueva simulación y obtenemos el siguiente diagrama de por

medio de Bode (fig.11):

(fig.11)

Según el diagrama, la ganancia es de -0.1 dB, por lo que concluimos que el

PSRR = -0.1 dB, cifra muy baja y por tanto la cantidad de rizado que obtenemos a

la salida es muy alta, y hay que alimentar este circuito con una fuente muy limpia.

Esto es debido en parte al bajo valor de Rc y a la alta impedancia de salida del

colector, que actúa como un divisor de tensión junto con Rc.

Observar el detalle del señalador "a" situado en los 100 Hz. Esa es la medida que

nos interesa, no el resto, porque el rizado tiene una frecuencia constante e igual a

100 Hz.

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Distorsión THD%.- Podemos ver la cantidad de distorsión armónica total THD%

de este circuito y ver su distribución en tipos de armónicos. Para ello

configuramos un análisis Transient/Fourier y elegimos como frecuencia

fundamental 1kHz y por ejemplo, 10 armónicos.

Ejecutamos una simulación y obtenemos la siguiente simulación que se muestra

en la fig.12:

(fig.12)

Para visualizar este gráfico elegimos el eje Y en modo "imaginary". El cursor "a"

indica la distorsión del armónico fundamental (16.6m) y el cursor "b" el 2°

armónico (2 kHz) que vale 1.067m. La distorsión THD% vale 0.05646% y además

está compuesta por 2° armónico, como es normal en este tipo de configuraciones.

La distorsión de armónicos pares origina que una semionda se amplifique más

que la otra, siendo una distorsión por tanto asimétrica. Es debida a las

alinealidades en las curvas de transferencia del transistor.

La distorsión, cuanto menor es el orden, mejor toleramos a la hora de la escucha,

y mucho mejor si son armónicos pares que los impares. Se ha comprobado que

pequeñas cantidades de armónicos impares hacen una escucha desagradable,

frente a los armónicos pares, que toleramos en mucha mayor medida y cantidad.

Pero este es un tema para otro artículo.

Diagrama de fase.- Podemos visualizar el comportamiento de la fase de la señal

de salida, con solo cambiar la visualización del diagrama de Bode, eligiendo "Y

axis = phase in degrees". Obtenemos el siguiente resultado (fig.13):

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(fig.13)

Podemos observar cómo a partir de 100 Hz la fase es de -180°, como era de

esperar, pues la etapa EC es inversora.

Realimentación Negativa (NFB, Negative Feedback).- Esta etapa carece de

realimentación negativa global, pero en cambio, tiene una componente de

realimentación local producida por la resistencia de emisor Re en su mayor parte.

Si esta resistencia la "puenteamos" con un condensador, poniéndolo en paralelo

con Re, facilitaremos un camino a la señal alterna, que verá una menor

impedancia si pasa a través del condensador. Podemos perfectamente medir la

cantidad de NFB que tiene esta sencilla etapa amplificadora. Basta un poco de

ingenio. Como la práctica totalidad de la realimentación viene ocasionada por Re,

podemos añadir un condensador de un valor tal que apenas suponga una

impedancia significativa para el paso de la señal y entonces medir la ganancia de

esta nueva configuración.

La diferencia entre ésta y la ganancia original nos dará la cantidad de

realimentación negativa en decibelios. El montaje quedará como en el dibujo

simulado (fig.14):

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(fig.14)

El condensador de acoplamiento C1 ahora vale 1000 uF, por la sencilla razón de

que la impedancia de entrada a disminuido, al eliminar la realimentación negativa.

El generador de señal inyecta una tensión mucho menor, porque la ganancia ha

aumentado espectacularmente y hay que evitar el recorte de señal. El valor de C1

y Ce son los justos para no tener una atenuación mayor de 3 dB en la frecuencia

de los 20 Hz, recordemos que la impedancia de los condensadores aumenta

conforme disminuye la frecuencia de la señal.

Con todas las variaciones efectuadas, nos lanzamos al análisis de lo que nos

interesa. Veamos que ocurre con la nueva ganancia de esta etapa. Observamos

la gráfica de Bode (fig.15):

(fig.15)

La ganancia ha aumentado hasta los 54.95 dB!! La conclusión es sencilla. Si

antes, con realimentación, teníamos una ganancia de 19.67 dB, entonces la

realimentación negativa vale:

NFB = 54.95 - 19.67 = 35.28 dB

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Este aumento de ganancia se paga caro. La impedancia de entrada, Zi ha

disminuido hasta 150 ohmios, como podemos comprobar, del mismo modo que

medimos anteriormente. Esto es un grave inconveniente, ya que representa una

carga muy dura para cualquier generador, o sea, un micrófono, o una etapa

previa.

Pero no solo eso. La distorsión también ha aumentado sustancialmente. Nos

fijamos en el análisis de Fourier y nos revela un aumento y también un cambio en

la distribución de los armónicos (fig.16):

(fig.16)

Ahora la THD% vale 4.8% y se ha incrementado notablemente. Podemos

observar incluso la deformación típica de una onda senoidal con distorsión de 2°

armónico como componente principal (fig.17):

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(fig.17)

Se observa claramente un achatamiento de la semionda positiva. De hecho, la

semionda positiva tiene un valor de 2.622 voltios (pico) y la negativa de -3.062 V

(pico). Se ha amplificado más una semionda que otra. Este tipo de distorsión es

asimétrica, porque ambas semiondas son diferentes.

¿Por qué ocurre esto? Porque las características de *todos* los dispositivos

electrónicos son alinéales, no se comportan igual en todas las condiciones de

polarización. Examinando una gráfica f(Vce)= Ic se puede observar esta

anomalía.

Para leer más acerca de la distorsión, os recomiendo los artículos de Steve

Bench, un excelente artículo, que de una forma muy amena e instructiva, y

enfocado bajo un punto de vista nada convencional, os mostrará facetas muy

curiosas acerca de este fenómeno. No dejéis de lado sus extraordinarios diseños

que él mismo denomina "no R's & no C's Amp" que consisten en circuitos

amplificadores sin emplear una sola resistencia ni condensador.

Agilent VEE Pro 6.0

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La siguiente es una breve introducción a Agilent VEE Pro 6.0. Su principal

objetivo en el uso de este será el de analizar los datos desde el osciloscopio e

imprimir los resultados.

1. Para iniciar Agilent VEE Pro 6.0

Seleccionar

Inicio> Programas> Agilent VEE Pro 6.0

2. Para cargar el panel de alcance

En el menú superior seleccione I / O Instrument Manager>. Haga clic en

Buscar Instruments, haga clic en Sí para cerrar la ventana siguiente. En la

lista de instrumentos que aparece seleccione oscope para designar el

osciloscopio será la fuente de la entrada. No elimine ningún instrumento de la

lista. Luego de las opciones para el conductor seleccione panel de derecho.

Haga clic en "Aceptar" para el mensaje de error que se muestra a

continuación (fig.18):

(fig.18)

Esto producirá una caja de osciloscopio en la pantalla. La caja de

osciloscopio se puede utilizar para controlar el osciloscopio real como se

muestra en la figura 19.

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(fig.19)

3. A) Para mostrar la forma de onda

En el menú superior, seleccione Pantalla> de forma de onda. Esto

produce un cuadro de forma de onda en la pantalla. La segunda ventana

muestra la ventana de Agilent VEE Pro tanto con una caja de osciloscopio

y una caja de forma de onda como se muestra en las figuras 20 y 21.

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(fig.20) (fig.21)

B) Para mostrar la gráfica xy

En el menú superior, seleccione Pantalla> Parcela XY. Esto produce la

caja Parcela XY en la pantalla. La segunda ventana muestra la ventana

de Agilent VEE Pro tanto con una caja de osciloscopio y una caja Parcela

XY como se muestran en las figuras 22 y 23.

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(fig.22) (fig.23)

4. Para añadir un terminal

En el menú desplegable en la esquina izquierda del cuadro de osciloscopio,

seleccione Agregar> Terminal de salida de datos, a continuación, seleccione

WF_CH1 (forma de onda) de la lista de opciones. Esto producirá un terminal

de salida de la señal en el lado derecho de la caja del osciloscopio. Observe

también que hay una terminal de entrada de señal en el lado izquierdo del

cuadro de forma de onda. Esto se denota por un cuadrado negro pequeño.

* Para la Parcela XY, seleccione WF_CH2 (forma de onda) de la lista de

opciones para la otra fuente de entrada, como se muestra en la ventana

derecha de la figura anterior.

5. Alambrado

Ahora nuestro objetivo es la transferencia de la forma de onda de la caja de

osciloscopio a la caja de forma de onda con el fin de hacer un análisis de la

forma de onda más fácil. Esto producirá una salida en el lado derecho de la

caja del osciloscopio. Haga clic en este, y arrástrelo a la entrada de la caja de

forma de onda.

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Esto producirá un cable que conecta las dos cajas, como se muestra en la

siguiente ilustración. (fig.24)

(fig.24)

6. Para transferir la forma de onda

Para transferir la forma de onda de la caja de osciloscopio a la caja de forma

de onda, haga clic en la opción "Ejecutar" en la parte superior de la pantalla

(similar a la de un reproductor de CD). Como alternativa, presione ctrl-G.

El siguiente "Error en tiempo de ejecución" puede ocurrir por algunas de las

máquinas. Para resolver este problema, agregue 3 a 5 "Bus de E / S Monitor"

en E / S> Bus I / O Monitor como se muestran en las figuras 25 y 26.

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(fig.25) (fig.26)

Afectados por el "run" icono de nuevo para obtener la forma de onda.(fig.27)

(fig.27)

7. Para analizar la forma de onda

En el menú desplegable en la esquina izquierda del cuadro de forma de onda,

seleccione Propiedades. En la ventanilla que aparece elegir entre las opciones

marcador produce cursores que se pueden utilizar para realizar mediciones de

tensión o de tiempo.

8. Para imprimir la forma de onda. En el menú desplegable en la esquina

izquierda del cuadro de forma de onda seleccione Imprimir.

9.

Fundamentos contextuales

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Una estación meteorológica es una instalación destinada a medir y registrar

regularmente diversas variables meteorológicas. Estos datos se utilizan tanto para

la elaboración de predicciones meteorológicas a partir de modelos numéricos

como para estudios climáticos figuras 1 y 2.

(fig.1) (fig.2)

La mayor parte de las estaciones meteorológicas están automatizadas gracias a

la implementación de sistemas embebidos y la implementación de sensores

retroalimentado lo que le da las condiciones para que su mantenimiento sea

ocasional y en algunos de los casos tengan la facilidad de estar actualizándose de

forma automática a través de conexiones o internet o WI – FI como se muestran

en las figuras 3 y 4.

(fig.3) (fig.4)

Dadas las condiciones de que las mencionadas serán diseñadas y fabricadas

dentro del instituto, nos dará las condiciones para crear nuestro pequeño

observatorio meteorológico, donde podremos recabar en un primer periodo de

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fabricación, condiciones como temperatura, humedad y velocidad de viento los

cuales los datos anteriormente señalados se pueden amalgamar con los valores

relativos a nubes (cantidad, altura, tipo), visibilidad y tiempo (presente y pasado).

Dadas las condiciones de los datos anterior mente descrita, se podría incursionar

en nuestra región como es la ciudad el desierto, y así proporcionar las bases para

la generación de modelos meteorológicos locales.

Con el programa circuitmaker se diseñaron las tablillas en tablillas fotosensibles

para el funcionamiento de los circuitos que se usaron en los censores de

velocidad y de dirección como se muestran en las figuras 5 y 6.

(fig.5) (fig.6)

Después de haber hecho el diseño del sensor en el programa de computadora se

armo el circuito en protoboard para comprobar que funciona el diseño o poder

hacer las correcciones necesarias si es que se requiere.

Después se calcularon los componentes como las resistencias y se escogió el

sensor mas adecuado para un mejor funcionamiento del sensor como se

muestran en las figuras 7, 8 y 9.

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(fig.7) (fig.8) (fig.9)

Lugo se calcularon las dimensiones de la carcasa para después elaborarse con

una maquina cnc que esta carcasa lleva en su interior los sensores de un material

llamado del ring momo se muestran en las siguientes figuras (fig.10 y 11).

(fig.10) (fig.11)

Después de elaborarse las carcasas de los sensores se opto por utilizar un eje de

un diámetro de 1/8 de pulgada de diámetro interior. Teniendo este elemento se

trabajo con una flecha de acero ha esta se le coloco una pequeña flecha

formando un ángulo de 90 grados con la flecha del sensor ha esta se le pego con

adhesivo un pequeño cuadro de papel de fotografía que es con lo que es con lo

que censa el sensor.

Por ultimo se le fabricaron las aspas que son las que por medio del aire activan el

sensor.(fig.12)

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(fig.12)

Después de haber fabricado el sensor de velocidad se conecto para hacerle

pruebas para probar su funcionamiento. Al comprobar que su funcionamiento se

instalo en una cubeta de 20 litros para recrear un tornado dentro de la cubeta ha

la cual se le instalo un abanico de 12 volts que se utiliza en las pc.

Una vez terminada la cubeta se le conecto un osciloscopio para ver los pulsos

que se crean por el funcionamiento del sensor.

Después se le conecto la tarjeta usb-1408 fs la cual utiliza un programa llamado

instacal el cual te muestra los pulsos del sensor.

Con los datos obtenidos se pudo calcular la velocidad ya que con la ecuación

matemática v = d/t en la cual ya sabemos como calcular la d = π x r²

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Esta fig. nos muestra el sensor de velocidad funcionando y recopilando

información.

En estas figuras observamos las imágenes de cómo se recopila la información por

medio de la pc.

Método

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El proyecto se desarrollara en cuatro etapas principales:

1.- investigación documental y revisión del estado del arte

2.- generación de modelos matemáticos, algorítmicos y mecánicos

3.- desarrollo y prueba de los algoritmos en aplicaciones funcionales

4.- resumen y puesta en marcha funcional

1.- investigación documental y revisión del estado del arte consiste en la revisión

de la documentación he información bibliográfica, relacionada con los diferentes

componentes electrónicos que deberán e usarse en el proceso mismo, como por

ejemplo el tipo de sensor de humedad, el tipo de sensor de temperatura y la

estrategia que deberá de tomarse para la fabricación de sensor de velocidad del

viento. La intención es poder identificar la mayor cantidad de condiciones

experimentales que existen y las recomendaciones más asertivas para la

utilización como estrategia.

2.- generación de modelos matemáticos algorítmicos y mecánicos tonto los

modelos matemáticos como las funciones algorítmicas que deben de utilizarse

deben de ser analizados de forma analítica y conceptual para que estos en el

momento de convertirse a código, pueda ser utilizado a la perfección como código

embebido dentro del o los micro controladores.

Algunas recomendaciones son propuestas por los fabricantes tanto de los

censores como del micro controlador y del resto de los componentes, mas sin

embargo, la idea es que los involucrados busquen a través del análisis, mejores y

diferentes propuestas para el proyecto.

3.- desarrollo y prueba de los algoritmos en aplicaciones funcionales en esta

etapa, se llevara acabo de la fabricación física de las tablillas electrónicas y los

diferentes sensores que se propongan por el grupo de trabajo, y además, la

fabricación de los controles mecánicas (externas e internas) del equipo funcional

que llamaremos estación meteorológica.

4.- resumen y puesta en marcha funcional.

En esta etapa se concluye el proyecto y serán desarrolladas las condiciones

finales de funcionamiento del proyecto, como son:

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1. La integración en conjunto de los ambientes de sensores con el o los micro

controladores que utilicemos.

2. La generación de resultados a través de graficas o y/o hojas de calculo –

trabajo.

3. Se generara un reporte final el cual incluirá las técnicas que se generaron,

los gráficos y especificaciones desarrolladas (y las existentes

comercialmente utilizadas).

4. Y también la demostración funcional de la estación meteorológica

Resultados

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No se pudieron concluir las metas trazadas con anterioridad por que el tiempo se

volvió un factor. Así como por la falta de equipo y la investigación que se tubo que

realizar y que retraso el proyecto.

Se pudo comprobar la hipótesis de que el diseño del sensor que se había

propuesto para el diseño del anenómetro (sensor de velocidad del aire) el cual se

elaboro y probo en la cubeta y midiendo con el osciloscopio y con la tarjeta de

adquisición de datos DAQ.

Los sensores de velocidad y de dirección se rediseñaron totalmente y se

componen por componentes que son mas comunes y mas baratos que los

componentes que componen a los sensores originales.

Se consiguió terminar el sensor de velocidad del aire con las pruebas que se

trazaron para el mismo, también se construyo el sensor de dirección del aire, el

cual no se pudo concluir por los factores antes mencionado.

Conclusiones y Recomendaciones

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Esperamos que con la investigación realizada por nuestro equipo en un futuro

sirva para el desarrollo del proyecto completamente y que estas residencias solo

sean el comienzo de una investigación que sea un bien para el instituto

tecnológico de ciudad Juárez, así como de sus alumnos y profesores de esta casa

de estudio.

Se comprobó que los sensores de estaciones atmosféricas se pudieron rediseñar

y disminuir sus costos y hacer que hicieran el mismo funcionamiento con

componentes que son comunes y fáciles de conseguir en la actualidad.

Con este trabajo hemos puesto en práctica todo lo aprendido durante la carrera y

algunas cosas que no que no se comprendieron bien se estudiaron para poder

sacar adelante el proyecto.

Cronograma De Actividades:

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ACTIVIDAD

MARZ

O

ABR

IL

MAY

O

JUNI

O

JULI

O 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4INVESTIGACION Y SIMULACIÓN

DE LOS CIRCUITOS DE VELOCIDAD ELABORACIÓN DE LA CARCASA

DE LOS CIRCUITOS DE

VELOCIDAD Y LA ELABORACIÓN

DE LA TABLILLA

ELABORACIÓN DE LA CÁMARA

DE VACIO DENTRO DE UNA

CUBETA DE 20 LTS. PARA

HACERLE PRUEBAS AL SENSOR.

RESUMEN Y PUESTA EN MARCHA FUNCIONAL

Recursos Necesarios

• Tarjeta de adquisición de datos NI-DAQ usb – 1408 fs.

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• Sensor CNY70.

• Cable con conexión USB.

• Tablilla protoboard.

• Cables de conexión

• Fuente de alimentación Herramientas básicas como cautín y

desatornilladores.

• Equipo de medición y prueba básicas como multimetro, probador de AC,

osciloscopio.

• Software de diseño y simulación electrónico como CIRCUIT MAIKER, PC.

Tarjeta de adquisición de datos NI-DAQ usb – 1408 fs Sensor CNY70

Fuente de alimentación Osciloscopio intek GDS-800 Series Digital

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Acido férrico cautín

Desarmadores y pinzas multimetro

Soldadura y flux placa fenolica

Taladro protoboard

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Computadora cable usb

Db9 to db9 vernier

Lugar de desarrollo del proyecto

Todo el proyecto se desarrolla dentro de las instalaciones del instituto tecnológico

de ciudad Juárez (figura 1), el cual se encuentra en: av. Tecnológico no. 1340, cp.

32500, Cd. Juárez (figura 3), chihuahua, México, tel.: +52-656-688-2500

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Instituto tecnológico de ciudad Juárez (figura 1)

Para eso, utilizaremos el área la cual es:

• Utilizaremos el área de “laboratorio de impresos” que se encuentran dentro

del laboratorio de electrónica para las mediciones y generación de

documentación, hacia como la fabricación de circuitos electrónicos.

Fig.2 laboratorio de impresos fig. 3 áreas de desarrollo

La ubicación del campus 1 de instituto tecnológico de ciudad juarez como se

muestra en la figura siguiente (figura 4):

53 / 89

croquis de la ubicación del tecnologico (figura 4)

Bibliografías:

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Electrónica: teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, decima edición / Robert

l. boylestad & Luis Nshaelsky

Printed Circuit Board Materials Handbook /Martin W. Jawitz.

Productions and operations analysis / steven nakkmias.

Circuitmaker 2000 user manual, advanced schematic capture / mixed

analog/digital simulation

Codewarrior development studio for HC(S) 08 special edition & HC(S) 12 special

edition, fresscale semiconductors.

Fuentes de consultadas:

Autor: Ing. Sebastián Pinto Sepúlveda se vaso en su investigación sobre el tema

de este proyecto

Anexos

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Anexo a galería de imágenes

En esta parte nos muestra las tablillas del sensor de velocidad

Imagen 1 imagen 2

Imagen 3 imagen 4

Imagen 5 imagen 6

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Imagen 7 imagen 8

Imagen 9 imagen 10

Imagen 11 imagen 12

Imagen 13 imagen 14

57 / 89

Imagen 15 imagen 16

Imagen 17 imagen 18

Imagen 19 imagen 20

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Imagen 21 imagen 22

Imagen 23 imagen 24

Imagen 25 imagen 26

59 / 89

Imagen 27 imagen 28

Imagen 29 imagen 30

Imagen 31 imagen 32

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Imagen 33 imagen 34

Imagen 35 imagen 36

Anexo b galería hojas de especificaciones

Anemómetro

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Sensor de dirección

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67 / 89

68 / 89

69 / 89

70 / 89

71 / 89

Sensor cny70

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73 / 89

74 / 89

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76 / 89

Regulador de voltaje 7805

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78 / 89

79 / 89

Tarjeta de adquisición de datos NI-DAQ usb – 1408 fs

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81 / 89

82 / 89

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Osciloscopio gw instek gds-800

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85 / 89

86 / 89

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Glosario

Carcasa un mecanismo que su interior se pone un mecanismo.

Anemómetro sensor de velocidad de aire.

Embebidos es un sistema de computación diseñado para realizar una o algunas

pocas funciones dedicadas.

Daq tarjeta de adquisición de datos.

Tablilla fenolica se usa para la elaboración de circuitos impresos por medio de

un relevador y de acido férrico.

Ec emisor común.

WI – FI. Conexión a internet inalámbrica.

Ac corriente alterna.

Db unidades de sonido

Amp unidades de corriente

Cnc maquina de tono industrial

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Datos del Asesor

Nombre______________________________________

Horario en el Tecnológico_________________________

Horario de Asesoría_____________________________

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