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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Escuela Superior De Ingeniería Mecánica Eléctrica

Unidad profesional “Adolfo López Mateos”

Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica

“SISTEMA DE PROXIMIDAD PARA LA ELIMINCIÓN DE PUNTOS CIEGOS”

PROYECTO TERMINAL

Presentada para obtener el título de:

Ingeniero en Comunicaciones y Electrónica

Presenta:

Mendoza Granados Gerardo

Torres Jiménez Erick Antonio

Villegas Amezcua Gustavo Daniel

Asesores:

Morales Becerra Pedro Martin

Ing. César Israel Pérez Macías

México, D.F. 2013

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESIME ZAC.

ii

Contenido

Introducción ............................................................................................................................... iv

Objetivo ..................................................................................................................................... vi

1. MARCO teorico ................................................................................................................... 1

1.1. Sensores ...................................................................................................................... 1 |11.1.1. Antecedentes ......................................................................................................... 1 1.1.2. Descripción de un sensor....................................................................................... 2 1.1.3. Tipos de sensores.................................................................................................. 3 1.1.4. Sensor Piezoeléctrico ............................................................................................ 3 1.1.5. Aplicación .............................................................................................................. 7

1.2. Reloj ............................................................................................................................. 7 1.2.1. Tipos de relojes. .................................................................................................... 8

1.3. Microcontrolador ........................................................................................................... 9 1.3.1. ¿Qué es? ............................................................................................................... 9 1.3.2. Características ....................................................................................................... 9 1.3.3. Funciones ............................................................................................................ 12 1.3.4. Aplicación ............................................................................................................ 12 1.3.5. Arquitecturas ........................................................................................................ 13

1.4. Procesamiento de señales analógicas ........................................................................ 14 1.5. Procesamiento digital de señales ............................................................................... 14

1.5.1. Muestreo .............................................................................................................. 15 1.5.2. Teorema de Nyquist ............................................................................................. 15 1.5.3. Frecuencia de muestreo ...................................................................................... 18 1.5.4. Cuantificación ...................................................................................................... 19

1.6. Óptica ......................................................................................................................... 20 1.6.1. Espejos ................................................................................................................ 20 1.6.2. Reflexión y Refracción ......................................................................................... 23 1.6.3. Visión humana ..................................................................................................... 29

1.7. Onda mecánica .......................................................................................................... 32 1.7.1. En función de su propagación o frente de onda ................................................... 33 1.7.2. En función de la dirección de la perturbación ....................................................... 33 1.7.3. En función de su periodicidad .............................................................................. 34 1.7.4. Frecuencia ........................................................................................................... 34 1.7.5. Ultrasonido .......................................................................................................... 35 1.7.6. Velocidad de propagación del sonido................................................................... 35 1.7.1. Longitud de onda ................................................................................................. 36

1.8. MATLAB ..................................................................................................................... 37 1.8.1. MATLAB aplicado a la Ingeniería ......................................................................... 39

2. Deteccion de puntos ciegos .............................................................................................. 40

2.1. Planteamiento del problema ....................................................................................... 40 2.2. Puntos ciegos ............................................................................................................. 40 2.3. Solución ...................................................................................................................... 41 2.4. Diagrama a bloques del sistema ................................................................................. 42 2.5. Instalación .................................................................................................................. 43 2.6. Rango del dispositivo instalado................................................................................... 45

3. Sistema de deteccion ........................................................................................................ 46

3.1. Arduino Uno................................................................................................................ 46


iii

3.1.1. Resumen ............................................................................................................. 47 3.1.2. Potencia ............................................................................................................... 47 3.1.3. Memoria ............................................................................................................... 48 3.1.4. Entrada y salida ................................................................................................... 49 3.1.5. Comunicación ...................................................................................................... 50 3.1.6. Programación ...................................................................................................... 51 3.1.7. Características físicas .......................................................................................... 51 3.1.8. Temporizador ....................................................................................................... 51 3.1.9. Uso del Arduino ................................................................................................... 52

3.2. Código fuente para el micro controlador ..................................................................... 52 3.2.1. Diagrama de flujo del programa ........................................................................... 52

3.3. Indicador Visual .......................................................................................................... 58 3.3.1. Diodo emisor de luz ............................................................................................. 58

3.4. Funcionamiento del detector ....................................................................................... 58 3.5. Medición de temperatura ............................................................................................ 59

3.5.1. LM35.................................................................................................................... 59 3.5.2. Características ..................................................................................................... 60 3.5.3. Aplicación ............................................................................................................ 60 3.5.4. Observación......................................................................................................... 62

4. Implementación y Pruebas ................................................................................................ 63

4.1. Prototipo ..................................................................................................................... 63 4.2. Implementación de MATLAB ...................................................................................... 64

4.2.1. Código Fuente del MATLAB ................................................................................ 64 4.3. Cálculos de temperatura ............................................................................................. 67 4.4. Pruebas en tiempo real ............................................................................................... 68

4.4.1. Descripción: ......................................................................................................... 69 4.5. Pruebas con osciloscopio ........................................................................................... 74 4.6. Resultados ................................................................................................................. 75

Conclusiones ............................................................................................................................ 77

Glosario .................................................................................................................................... 78

Anexo ....................................................................................................................................... 80

Bibliografía ............................................................................................................................. 84


iv

Introducción

Los accidentes Automovilísticos ocurren cuando menos se espera, existen diferentes

tipos de accidentes, de acuerdo con la clasificación de Accidentes de tránsito del INEGI

pueden ser:

Por colisión con vehículo automotor

Colisión con peatón

Colisión con animal

Colisión con objeto fijo

Volcadura

Caída de pasajero

salida del camino

Incendio

Colisión con ferrocarril

Colisión con motocicleta

Colisión con ciclista y otros.

De estos tipos de accidentes los que más predominan, de acuerdo con datos del INEGI

(a los que se tuvo acceso), con fecha del año 2011 son:

Accidente Total de accidentes

Colisión con vehículos automotor 274,022

Colisión con objeto fijo 44,404

Colisión con peatón 15,872

Colisión con motocicleta 21,105

Colisión con ciclista 8,005

Dicho proyecto se enfocó en estos cinco principales accidentes, ya que de acuerdo a

estos datos son los que ocurren con mayor frecuencia.


v

Analizando los datos del INEGI, estos tipos de accidentes tienen “causas” (motivo por

el que ocurrieron), que son:

Conductor

peatón o pasajero

falla del vehículo

mala condición del camino

otra.

De estas la principal causa, la que más accidentes tiene, es la del conductor, con un

total de 366,133 accidentes.

Todas estas cifras son importantes, porque de acuerdo a las investigaciones que

realizó el INEGI, después de cada uno de estos accidentes, se menciona lo siguiente;

Tomando en cuenta el 100 % de los accidentes (que son causados por el conductor),

se tienen los motivos de estos, mostrando los siguientes porcentajes:

1.- Señalamientos de tránsito, 30%

2.- No tener a la vista el objeto, 20%

3.- Fallas de mecánicas, 20 %

4.- Distracción, 20%

5.- Distancia inapropiada, 5%

6.- Cansancio, 5%

Por la causa número 1, 3, 4, 5, 6, se es difícil diseñar un sistema que evite las

colisiones; Por tal motivo el proyecto se enfocó en la segunda causa.

De la segunda causa, que se refiere a que el conductor no ve el objeto con el que se

impacta, (en los datos recopilados por el INEGI) se dice que casi el 40% es por los

famosos “Puntos Ciegos” (Capitulo 2), por tal motivo tratando de enfocarse en la

segunda causa, se ideó una forma de evitar o advertir a los conductores de posibles

colisiones, diseñando un dispositivo capaz de identificar objetos alrededor de la

automotor. Logrando con esto salvar muchas vidas.


vi

Objetivo

Crear un dispositivo que detecte los objetos ubicados en los puntos ciegos del

conductor, y que permita evitar accidentes mediante la generación de una señal visual.


1

1. MARCO TEORICO

1.1. Sensores

1.1.1. Antecedentes

Es difícil saber exactamente cuando se creó el primer sensor o transductor, se puede

ver en Internet cuando se creó cierto modelo de sensor, pero para un modo

generalizado no se puede saber que paso, quien hizo el primer sensor esto; Es porque

se ha utilizado desde hace mucho tiempo como los sensores mecánicos, por decir un

ejemplo, en una válvula que se cierra a la hora que el agua de una cisterna se llena,

este ejemplo aunque no necesita electricidad se observa claramente que es un sensor

por que pudo detectar el nivel del agua con un flotador y accionó la válvula para

cerrarse y evitó que siguiera llenándose de agua.

Ejemplos como este se puede ver en casi todo el mundo y a lo largo del tiempo, algo

más primitivo seria las trampas que tendían para cazar en muchos lugares en los que

con el movimiento de un cordón se actuaba algún tipo de trampa que dejaba

inmovilizado al animal o hasta lo podía matar inmediatamente, como se ve los sensores

han estado con nosotros durante mucho tiempo y lo van a seguir estando por que no

dejan de actualizarse y estar a la vanguardia. Sin embargo, en la actualidad se debe

tomar en cuenta que esto se ha vuelto como un sistema de instrumentación.

Ahora lo sensores con los que se cuenta son mucho más complejos y muchos de ellos

pueden realizar diferentes tareas todo en un mismo encapsulado, cada vez se requiere

más de cada elemento en la industria y con mucho más razón de los sensores que son

imprescindibles en cualquier maquina ya sea industrial o doméstica.

En los sensores electrónicos se podría decir que, por ejemplo el primer sensor

inductivo que se construyo fue en 1958 y lo construyo la marca Pepperl Fuchs, claro

que en la actualidad se le han hecho muchas modificaciones a este sensor.


2

1.1.2. Descripción de un sensor

Antes que nada se mostrarán tres definiciones que se encuentran en muchas

enciclopedias electrónicas, que definen al sensor:

Componente que convierte energía mecánica en una señal eléctrica, ya sea

generando la señal o controlando una fuente eléctrica, ya sea generando la

señal o controlando una fuente eléctrica externa.

Transductor diseñado para producir una salida eléctrica proporcional a alguna

cantidad que varía con el tiempo, como temperatura, iluminación, presión, etc.

Dispositivo o componente que reacciona ante un cambio; la reacción se

aprovecha para hacer que funcione un control o instrumento; por ejemplo, la

resistencia del transmisor se altera al cambiar la temperatura y esa modificación

puede utilizarse en los circuitos eléctricos para variar la corriente.

Un sensor es un dispositivo empleado para convertir una magnitud física o química en

una señal generalmente eléctrica que puede ser fácilmente procesada, almacenada o

transmitida.

Los sensores son transductores por que reciben una señal y la convierten en otra para

que esta pueda ser entendida y utilizada, hay muchísimos tipos de sensores todo es de

acuerdo a su utilización o fin, por el que fue construido las partes básicas del sensor

sería una señal de entrada, el transductor y una señal de salida ya modificada para su

utilización, en la actualidad hay muchos tipos de sensores que tienen integrado

diferentes componentes, algunos son para manipular la señal y que se pueda conectar

a la computadora.


3

1.1.3. Tipos de sensores

Existen diferentes clases de sensores, algunos de los que existen son:

Sensor Magnético

Sensor de Posición

Sensor de Movimiento por Radiofrecuencia

Sensor Sónico de Movimiento

Sensor de Movimiento Ultrasónico

Sensor Infrarrojo

Sensor Fotoeléctricos

Sensor Piezoeléctrico

1.1.4. Sensor Piezoeléctrico

Un sensor piezoeléctrico es un dispositivo que utiliza el efecto piezoeléctrico para

medir presión, aceleración, tensión o fuerza; transformando las lecturas en señales

eléctricas.

Su principio está basado en la fuerza o presión aplicada a una sustancia compuesta

por cristales polarizados (piezo significa presión en griego). Al ejercer presión sobre el

cristal, éste se deforma produciendo una descarga eléctrica.


4

El efecto Piezoeléctrico es conmutativo y también funciona en forma opuesta contraria

a su dirección original. Esto quiere decir que al aplicar una descarga eléctrica a un

cristal polarizado, el cristal se deforma produciendo un movimiento que genera presión

acústica. La estructura de un cristal polarizado puede apreciarse en la figura 1-1.

Figura 1-1

1.1.4.1. Sensores Ultrasónicos

Figura 1-2 Sensor ultrasónico

Los sensores ultrasónicos (Figura 1-2) son dispositivos electrónicos que trabajan sin

contacto. La parte emisora genera pulsos de sonidos muy fuertes dentro del intervalo

de frecuencias de ultrasonido comprendido a partir de los 20kHz. Hay sensores

ultrasónicos unidireccionales, pero la mayoría son bidireccionales.


5

1.1.4.1.1 Estructura

Un sensor se compone de una caja de plástico con conexión por enchufe integrada, un

convertidor de ultrasonidos (membrana de aluminio en cuyo lado interior hay pegada

una pastilla piezo cerámica) y una placa de circuitos impresos con electrónica de

emisión y evaluación (figura 1-3). Dos de las tres líneas eléctricas de conexión a la

unidad de control sirven para la alimentación de tensión. Por la tercera línea,

bidireccional, se conecta la función emisora y se transmite la señal de recepción

evaluada de vuelta a la unidad de control (conexión de colector abierto de alto potencial

de reposo) (figura 1-4).

Figura 1-3


6

Diagrama a bloques del sensor ultrasónico.

Figura 1-4


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1.1.5. Aplicación

Los sensores ultrasónicos se utilizan para averiguar las distancias a la que se

encuentran posibles obstáculos y para vigilar un espacio.

En la siguiente figura 1-5 se puede observar la radiación que logra alcanzar el sensor

ultrasónico.

(Figura 1-5). Diagrama de radiación del sensor ultrasónico HC-SR04

El alcance de detección de un sistema de tal clase cubre una distancia de aprox. 0,25 a

4 m.

1.2. Reloj

Un reloj electrónico es un reloj en el que la base de tiempos es electrónica o

electromecánica y la división de frecuencia, también.


8

La exactitud del reloj depende de la base de tiempos, que puede consistir en un

oscilador o en un adaptador que, a partir de una referencia, genera una señal periódica.

El divisor de frecuencia es un circuito digital formado por una sucesión de contadores

hasta obtener una frecuencia de 1 Hz, que permite mostrar segundos. Si se quiere

mostrar décimas, la división se detiene al llegar a los 10 Hz.

Esta frecuencia pasa al módulo de presentación, que puede ser electrónico o

mecánico, donde otros divisores van separando los segundos, minutos y horas para

presentarlas mediante algún tipo de display.

1.2.1. Tipos de relojes.

El tipo de base de tiempos utilizada es tan importante que suele dar nombre al tipo de

reloj. Las más habituales son:

Reloj de cuarzo. Sustituye el diapasón por un resonador de cuarzo,

habitualmente a 32768 Hz, por ser potencia exacta de dos, lo que simplifica el

divisor de frecuencia. Por su estabilidad y economía ha desplazado a todos los

otros tipos de reloj en las aplicaciones habituales.

Reloj atómico (rubidio, hidrogeno y cesio) Se basa en incluir en el lazo de

realimentación una cavidad con moléculas de la sustancia adecuada; De manera

que se excite la resonancia de alguno de sus átomos.

El reloj de cuarzo es un reloj electrónico que se caracteriza por poseer una pieza de

cuarzo que sirve para generar los impulsos necesarios a intervalos regulares que

permiten la medición del tiempo. El cuarzo se talla habitualmente en forma de lámina y

se introduce en un cilindro metálico. Éste tiene por función la protección del mineral.

Para que vibre el cristal de cuarzo, debe ser alimentado por un campo eléctrico

oscilante generado por un circuito electrónico.

El cuarzo hace el papel de regulador y estabilizador de la frecuencia lo que servirá

finalmente para dar una medida del tiempo. La vibración de la lámina producida por el

circuito genera una señal eléctrica de la misma frecuencia. Esta nueva onda realimenta

http://es.wikipedia.org/wiki/Reloj_at%C3%B3mico

http://es.wikipedia.org/wiki/Frecuencia


9

el circuito electrónico, corrigiéndose las desviaciones de frecuencia que pudieran

producirse respecto a su valor nominal. La frecuencia natural de oscilación de un cristal

de cuarzo depende tanto de su forma como de su tamaño por lo que puede ser

seleccionada por el fabricante. Es de señalar que los relojes de cuarzo no son siempre

digitales, siendo también muy habituales los relojes de cuarzo con mecanismo de

agujas.

1.3. Microcontrolador

1.3.1. ¿Qué es?

Un microcontrolador es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las

órdenes grabadas en su memoria. Está compuesto de varios bloques funcionales, los

cuales cumplen una tarea específica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres

principales unidades funcionales de una computadora: unidad central de

procesamiento, memoria y periféricos de entrada/salida.

Un microcontrolador no es igual a un microprocesador. Difieren uno del otro en muchos

sentidos. La primera y la más importante diferencia es su funcionalidad. Para utilizar al

microprocesador en una aplicación real, se debe de conectar con componentes tales

como memoria o componentes, buses de transmisión, de datos. Aunque el

microprocesador se considera una máquina de computación poderosa, no está

preparado para la comunicación con los dispositivos periféricos que se le conectan.

Para que el microprocesador se comunique con algún periférico, se deben utilizar los

circuitos especiales. Así era en el principio y esta práctica sigue vigente en la

actualidad.

1.3.2. Características

Los microcontroladores son diseñados para reducir el costo económico y el consumo

de energía de un sistema en particular. Por eso el tamaño de la unidad central de


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procesamiento, la cantidad de memoria y los periféricos incluidos dependerán de la

aplicación.

Un microcontrolador difiere de una unidad central de procesamiento normal, debido a

que es más fácil convertirla en una computadora en funcionamiento, con un mínimo de

circuitos integrados externos de apoyo. La idea es que el circuito integrado se coloque

en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información que necesite. Un

microprocesador tradicional no permite hacer esto, ya que espera que todas estas

tareas sean manejadas por otros chips. Hay que agregarle los módulos de entrada y

salida (puertos) y la memoria para almacenamiento de información.

Un microcontrolador típico tendrá un generador de reloj integrado y una pequeña

cantidad de memoria de acceso aleatorio y/o ROM, EPROM, EEPROM, flash (figura 1-

6), con lo que para hacerlo funcionar todo lo que se necesita son unos pocos

programas de control y un cristal de sincronización. Los microcontroladores disponen

generalmente también de una gran variedad de dispositivos de entrada/salida, como

convertidor analógico digital, temporizadores y buses de interfaz serie especializados.

Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden ser controlados por

instrucciones de procesadores especializados. Los modernos microcontroladores

frecuentemente incluyen un lenguaje de programación integrado, como el lenguaje de

programación BASIC que se utiliza bastante con este propósito.

Los microcontroladores negocian la velocidad y la flexibilidad para facilitar su uso.

Debido a que se utiliza bastante sitio en el chip para incluir funcionalidad, como los

dispositivos de entrada/salida o la memoria que incluye el microcontrolador, se ha de

prescindir de cualquier otra circuitería.


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Figura 1-6

Desde el punto de vista lógico, singular y funcional, el microprocesador está compuesto

básicamente por: varios registros, una unidad de control, una unidad aritmético-lógica,

y dependiendo del procesador, puede contener una unidad en coma flotante. El

microprocesador ejecuta instrucciones almacenadas como números binarios

organizados secuencialmente en la memoria principal. La ejecución de las

instrucciones se puede realizar en varias fases:

Escritura de los resultados en la memoria principal o en los registros. Cada una de

estas fases se realiza en uno o varios ciclos de CPU, dependiendo de la estructura del

procesador, y concretamente de su grado de segmentación. La duración de estos

ciclos viene determinada por la frecuencia de reloj, y nunca podrá ser inferior al tiempo

requerido para realizar la tarea individual.

El microprocesador se conecta a un circuito PLL, normalmente basado en un cristal de

cuarzo capaz de generar pulsos a un ritmo constante, de modo que genera varios

ciclos (o pulsos) en un segundo. Este reloj, en la actualidad, genera miles de MHz. Un


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microprocesador es un sistema abierto con el que puede construirse un computador

con las características que se desee acoplándole los módulos necesarios.

1.3.3. Funciones

A la hora de escoger el microcontrolador a emplear en un diseño concreto hay que

tener en cuenta multitud de factores, como la documentación y herramientas de

desarrollo disponibles y su precio, la cantidad de fabricantes que lo producen y por

supuesto las características del microcontrolador (tipo de memoria de programa,

número de temporizadores, interrupciones, etc.).

1.3.4. Aplicación

Antes de seleccionar un microcontrolador es imprescindible analizar los requisitos de la

aplicación:

Procesamiento de datos: puede ser necesario que el microcontrolador realice

cálculos críticos en un tiempo limitado. En ese caso se debe asegurar de

seleccionar un dispositivo suficientemente rápido para ello. Por otro lado, habrá

que tener en cuenta la precisión de los datos a manejar: si no es suficiente con

un microcontrolador de 8 bits, puede ser necesario acudir a microcontroladores

de 16 o 32 bits. Una alternativa más barata y quizá suficiente es usar librerías

para manejar los datos de alta precisión.

Entrada Salida: para determinar las necesidades de Entrada/Salida del sistema

es conveniente dibujar un diagrama de bloques del mismo, de tal forma que sea

sencillo identificar la cantidad y tipo de señales a controlar. Una vez realizado

este análisis puede ser necesario añadir periféricos hardware externos o

cambiar a otro microcontrolador más adecuado a ese sistema.

Consumo: algunos productos que incorporan microcontroladores están

alimentados con baterías y su funcionamiento puede ser tan vital como activar

una alarma antirrobo. Lo más conveniente en un caso como éste puede ser que


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el microcontrolador esté en estado de bajo consumo pero que despierte ante la

activación de una señal (una interrupción) y ejecute el programa adecuado para

procesarla.

Memoria: para detectar las necesidades de memoria de nuestra aplicación se

debe separarla en memoria volátil (RAM), memoria no volátil (ROM, EPROM,

etc.) y memoria no volátil modificable (EEPROM). Este último tipo de memoria

puede ser útil para incluir información específica de la aplicación como un

número de serie o parámetros de calibración.

El tipo de memoria a emplear vendrá determinado por el volumen de ventas

previsto del producto: de menor a mayor volumen será conveniente emplear

EPROM, OTP y ROM. En cuanto a la cantidad de memoria necesaria puede ser

imprescindible realizar una versión preliminar, y a partir de ella hacer una

estimación de cuánta memoria volátil y no volátil es necesaria y si es

conveniente disponer de memoria no volátil modificable.

Ancho de palabra: el criterio de diseño debe ser seleccionar el microcontrolador

de menor ancho de palabra que satisfaga los requerimientos de la aplicación.

Usar un microcontrolador de 4 bits supondrá una reducción importante en los

costos, mientras que uno de 8 bits puede ser el más adecuado si el ancho de los

datos es de un byte. Los microcontroladores de 16 y 32 bits, debido a su elevado

coste, deben reservarse para aplicaciones que requieran sus altas prestaciones

(Entrada/Salida potente o espacio de direccionamiento muy elevado).

1.3.5. Arquitecturas

Básicamente existen dos arquitecturas de computadoras, y por supuesto, están

presentes en el mundo de los microcontroladores: Von Neumann y Harvard. Ambas se

diferencian en la forma de conexión de la memoria al procesador y en los buses que

cada una necesita.


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1.4. Procesamiento de señales analógicas

Un Procesamiento analógico de señales (del inglés Analog signal processing), es

cualquier procesamiento de la señal llevado a cabo sobre una señal analógica por

"medios analógicos" (en contraposición al Procesamiento digital de señales que se

hace por "medios digitales"). Una "señal analógica" indica una señal que se puede

representar matemáticamente por un conjunto de valores continuos. Contrariamente a

una "señal digital", que utiliza una serie de cantidades discretas para representar la

señal. Los valores analógicos representan típicamente un voltaje, una corriente

eléctrica, o una carga eléctrica en torno a los componentes de los dispositivos

electrónicos. Un error o ruido que afecte estas magnitudes físicas se traducirá en el

error correspondiente en la representación eléctrica de dichas magnitudes físicas.

Los ejemplos de "procesamiento analógico de señales" incluyen: el filtro pasa banda,

filtro pasa bajos entre otros filtros de señales para baja frecuencia y radio frecuencia,

los controles de "volumen", "graves" y "agudos" en equipos de música, y los controles

de "contraste" y "brillo " los televisores. El "procesamiento analógico de la señal"

incluye elementos comunes como capacitores, resistencias, inductores, transistores o

circuitos integrados.

1.5. Procesamiento digital de señales

El procesamiento digital de señales (PDS) o DSP (sigla en inglés de digital signal

processing) es la manipulación matemática de una señal de información para

modificarla o mejorarla en algún sentido. Este, está caracterizado por la representación

en el dominio del tiempo discreto, en el dominio de la frecuencia discreta, u otro

dominio discreto de señales por medio de una secuencia de números o símbolos y el

procesado de esas señales.

Esto se puede conseguir mediante un sistema basado en un procesador o

microprocesador que posee un juego de instrucciones, junto con circuitos (multiplicador

– acumulador) y un programa optimizado para aplicaciones que requieran operaciones


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aritméticas a muy alta velocidad. Debido a esto es especialmente útil para el procesado

de señales digitales en tiempo real. En un sistema que trabaje de esta forma (tiempo

real) se reciben muestras (samples, en inglés), normalmente provenientes de un

conversor analógico/digital (ADC). Se puede trabajar con señales analógicas, pero es

un sistema digital, por lo tanto necesitará un conversor analógico/digital a su entrada y

digital/analógico en la salida. Como todo sistema basado en procesador programable

necesita una memoria donde almacenar los datos con los que trabajará y el programa

que ejecuta.

Se puede procesar una señal para obtener una disminución del nivel de ruido, para

mejorar la presencia de determinados matices, como los graves o los agudos y se

realiza combinando los valores de la señal para generar otros nuevos. Así, el PDS se

utiliza en el procesamiento de música (por ejemplo MP3), de voz (por ejemplo,

reconocimiento de voz) en teléfonos celulares, de imágenes (en la transmisión de

imágenes satelitales) y vídeo (DVD).

1.5.1. Muestreo

El muestreo es una de las partes del proceso de digitalización de las señales. Consiste

en tomar muestras de una señal analógica a una frecuencia o tasa de muestreo

constante, para cuantificarlas posteriormente. Basado en el teorema de muestreo, es la

base de la representación discreta de una señal continua en banda limitada.

1.5.2. Teorema de Nyquist

Se considera una señal arbitraria de energía finita como la que se muestra en la

ecuación 1. Supóngase que se muestrea la señal de forma instantánea a una tasa

uniforme cada segundos.


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Como resultado de este proceso se obtiene una secuencia de números espaciados y

se puede denotar mediante , donde n puede tomar cualquier valor entero, es

el periodo de muestreo y fs = 1/ es la frecuencia de muestreo. Esta forma ideal de

muestreo recibe el nombre de muestreo instantáneo. Sea la señal obtenida

multiplicando la secuencia de números por un tren de deltas espaciados ,

entonces se puede expresar según la ecuación (1).

(1)

A se la denomina señal muestreada ideal. En la Figura 1-8 se puede ver el

resultado de este tipo de muestreo aplicado a la señal de la Figura 1-7. De forma

equivalente se puede expresar como el producto de la señal original por la

función de muestreo ideal con periodo según la ecuación (2).

(2)

Figura 1-7 Señal arbitraria de energía finita


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Figura 1-8. La señal de la figura 1 muestreada idealmente.

El teorema del muestreo trata, que no debe ser confundido o asociado con

la cuantificación, proceso que sigue al de muestreo en la digitalización de una señal y

que, al contrario del muestreo, no es reversible (se produce una pérdida de información

en el proceso de cuantificación, incluso en el caso ideal teórico, que se traduce en

una distorsión conocida como error o ruido de cuantificación y que establece un límite

teórico superior a la relación señal-ruido). Dicho de otro modo, desde el punto de vista

del teorema, las muestras discretas de una señal son valores exactos que aún no han

sufrido redondeo o truncamiento alguno sobre una precisión determinada, es decir, aún

no han sido cuantificadas.

El teorema demuestra que la reconstrucción exacta de una señal periódica continua en

banda base a partir de sus muestras, es matemáticamente posible si la señal está

limitada en banda y la tasa de muestreo es superior al doble de su ancho de banda.

Dicho de otro modo, la información completa de la señal analógica original que cumple

el criterio anterior está descrita por la serie total de muestras que resultaron del proceso

http://es.wikipedia.org/wiki/Muestreo_digital

http://es.wikipedia.org/wiki/Cuantificaci%C3%B3n_digital

http://es.wikipedia.org/wiki/Distorsi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Ruido_de_cuantificaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_peri%C3%B3dica


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de muestreo. No hay nada, por tanto, de la evolución de la señal entre muestras que no

esté perfectamente definido por la serie total de muestras.

1.5.3. Frecuencia de muestreo

La tasa o frecuencia de muestreo es el número de muestras por unidad de tiempo que

se toman de una señal continua para producir una señal discreta (figura 1-9), durante el

proceso necesario para convertirla de analógica en digital.

Figura 1-9 Señal original y muestreo de la misma.

La tasa o frecuencia de muestreo es el número de muestras por unidad de tiempo que

se toman de una señal continua para producir una señal discreta, durante el proceso

necesario para convertirla de analógica en digital.

Según el teorema de muestreo de Nyquist-Shannon, para poder replicar con exactitud

(es decir, siendo matemáticamente reversible en su totalidad) la forma de una onda es

necesario que la frecuencia de muestreo sea superior al doble de la máxima frecuencia

a muestrear.

http://es.wikipedia.org/wiki/Se%C3%B1al_anal%C3%B3gica

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Analog_signal.png

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sampled_signal.png

http://es.wikipedia.org/wiki/Se%C3%B1al_anal%C3%B3gica


19

1.5.4. Cuantificación

Uno de los pasos que se debe de tomar para convertir una señal analógica en digital es

la cuantificación. Esta se encarga de medir individualmente el nivel del voltaje o tensión

de todas las muestras de amplitud continua obtenidas en el proceso de muestreo.

A cada una de las muestras se le concede un margen de valor discreto (infinito) de

amplitud, preestablecido según el código utilizado. En este proceso es que la señal

analógica se convierte en una señal digital; o sea, desde que a las muestras se le

asignan un valor finito o discreto. Ahora bien, a pesar de haber realizado la conversión,

aun no se ha traducido a un sistema binario, ya que esta traducción lo realiza el

siguiente proceso que es la codificación; el cual recibe los valores finitos y los

transforma en una sucesión de ceros y unos. En el proceso de decodificación digital

tiende a aparecer errores de cuantificación, los cuales producen un fuerte ruido.

Este error se produce cuando el valor real de la muestra no es el mismo que el de los

escalones disponibles para su aproximación, y la distancia del valor real es mucho más

grande que la distancia que se toma. Estos errores se pueden minimizar usando

diferentes técnicas de cuantificación, como son; Cuantificación no uniforme o no lineal:

que se utiliza cuando las señales que se procesan no son semejantes a una

determinada banda de frecuencia; por consiguientes estas señales son mucho más

sensibles. En este caso se asigna niveles de cuantificación de forma no uniforme, para

que se establezca un número mayor de niveles a los márgenes donde la amplitud de la

tensión cambia más rápido.

En el siguiente proceso (la descodificación), se debe de utilizar el mismo circuito no

lineal que se utilizó en la cuantificación no uniforme; de este modo se podrá

recomponer la señal más rápidamente.

Cuantificación uniforme o lineal: en este proceso de cuantificación a cada una de

las muestras se le asigna el valor inferior más próximo, sin importar que ocurra


20

en la muestra adyacente. Este tipo de cuantificador es el menos recomendado

de todos, ya que la probabilidad del ruido es proporcional al incremento de la

amplitud de la señal.

Cuantificación vectorial: es parecido a la cuantificación uniforme o no constante,

ya que utiliza un bit constante o variable. Este cuantificador en vez de

cuantificar las muestras retenidas de forma individual, las cuantifica en bloques

de muestras. Cada uno de estos bloques es cuantificado como si fuera un solo

vector.

Cuantificación logarítmica: en este proceso se usa una tasa de datos constante, y

se hace pasar la señal analógica por un compresor logarítmico antes de producir

la señal digital.

1.6. Óptica

1.6.1. Espejos

Un espejo es una superficie pulida en la que al incidir la luz, se refleja siguiendo las

leyes de la reflexión.

Figura 1-10. Reflexión de los rayos de luz en un espejo plano.

El ejemplo más sencillo es el espejo plano (figura 1-10). En este último, un haz de

rayos de luz paralelos puede cambiar de dirección completamente en conjunto y

continuar siendo un haz de rayos paralelos, pudiendo producir así una imagen


21

virtual de un objeto con el mismo tamaño y forma que el real. La imagen resulta

derecha pero invertida en el eje normal al espejo.

Figura 1-11. Esquema de un reflector.

También hay espejos curvos que pueden ser cóncavos o convexos (figura 1-11). En un

espejo cóncavo cuya superficie forma un paraboloide de revolución, todos los rayos

que inciden paralelos al eje del espejo, se reflejan pasando por el foco, y los que

inciden pasando por el foco, se reflejan paralelos al eje los espejos son objetos que

reflejan casi toda la luz que choca contra su superficie.

Los espejos modernos consisten de una delgada capa de plata o aluminio depositado

sobre una plancha de vidrio, la cual protege el metal y hace al espejo más duradero,

ver plateado.

Para una imagen formada por un espejo parabólico (o esférico de pequeña abertura,

donde sea válida la aproximación paraxial) se cumple que:

Ecuación (3)

En la que f es la distancia del foco al espejo, s la distancia del objeto al espejo y s' la

distancia de la imagen formada al espejo, se lee: «La inversa de la distancia focal es

igual a la suma de la inversa de la distancia del objeto al espejo con la inversa de la

distancia de la imagen al espejo».

Ecuación (4)


22

Y en la que m es la magnificación o agrandamiento lateral.

1.6.1.1. Espejos Convexos

Se produce una situación en la que la imagen es virtual, derecha y más pequeña que

elementos de un espejo centro de curvatura: es el centro de la esfera imaginaria que

constituye el espejo eje óptico: es la recta horizontal que pasa por el centro de

curvatura.

Foco: es el punto del eje óptico por el que pasan reflejados los rayos paralelos.

Está situado en el punto medio de la línea que une el centro con el espejo.

1.6.1.2. Espejo retrovisor

Figura 1-12. Espejo retrovisor muestra los vehículos en su parte TRASERA.

Un espejo retrovisor (Figura 1-11) es un tipo funcional de espejo que poseen

los automóviles y otros vehículos, que están diseñados para permitirle al conductor ver

el área que se encuentra detrás del vehículo a través de la ventana posterior.

Los espejos retrovisores internos y el espejo lateral del lado del conductor son

específicamente requeridos por la legislación que no sean provistos de magnificación y

por lo tanto son convexos. El conductor se encuentra ubicado tan próximo a estos

espejos como para con un desplazamiento de su cabeza poder expandir en forma

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rear-view_mirror.jpg

http://es.wikipedia.org/wiki/Espejo

http://es.wikipedia.org/wiki/Autom%C3%B3vil

http://es.wikipedia.org/wiki/Convexo


23

apropiada su campo de visión. En cambio el espejo lateral del lado del acompañante se

encuentra ubicado lo suficientemente lejos como para que el campo visual sea fijo, por

más que el conductor mueva su cabeza y por lo tanto un espejo convexo es deseable

para expandir el campo visual.

En su configuración típica, el espejo retrovisor se encuentra fijo a la parte superior

del parabrisas en un montaje universal que permite que pueda ser rotado. Algunos

modelos de vehículos poseen el espejo retrovisor montado en la parte superior

del tablero. Para ajustar la posición del espejo se recomienda sentarse en el asiento del

conductor en la misma posición que se utiliza para conducir. La utilidad de los espejos

puede verse disminuida en vehículos que poseen grandes spoilers o ventanas

posteriores de dimensiones reducidas, obstrucciones en el asiento trasero o arrastran

un remolque. Los espejos retrovisores interiores están diseñados para desprenderse

fácilmente durante un choque de manera de minimizar el daño a un ocupante del

vehículo que fuera desplazado y golpeara contra el espejo

1.6.2. Reflexión y Refracción

Figura 1-13 Reflexión en un espejo plano

Si un rayo de luz que se propaga a través de un medio homogéneo incide sobre la

superficie de un segundo medio homogéneo, parte de la luz es reflejada y parte entra

como rayo refractado en el segundo medio, donde puede o no ser absorbido (1-13). La

cantidad de luz reflejada depende de la relación entre los índices de refracción de

http://es.wikipedia.org/wiki/Parabrisas

http://es.wikipedia.org/wiki/Tablero

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Spoiler_(automotive)&action=edit&redlink=1


24

ambos medios. El plano de incidencia se define como el plano formado por el rayo

incidente y la normal (es decir, la línea perpendicular a la superficie del medio) en el

punto de incidencia (figura 1-14). El ángulo de incidencia es el ángulo entre el rayo

incidente y la normal. Los ángulos de reflexión y refracción se definen de modo

análogo.

Las leyes de la reflexión afirman que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de

reflexión, y que el rayo incidente, el rayo reflejado y la normal en el punto de incidencia

se encuentran en un mismo plano.

Si la superficie del segundo medio es lisa, puede actuar como un espejo y producir una

imagen reflejada (figura 1-15). En la figura 1-15, la fuente de luz es el objeto A; un

punto de A emite rayos en todas las direcciones. Los dos rayos que inciden sobre el

espejo en B y C, por ejemplo, se reflejan como rayos BD y CE. Para un observador

situado delante del espejo, esos rayos parecen venir del punto F que está detrás del

espejo. De las leyes de reflexión se deduce que CF y BF forman el mismo ángulo con

la superficie del espejo que AC y AB. En este caso, en el que el espejo es plano, la

imagen del objeto parece situada detrás del espejo y separada de él por la misma

distancia que hay entre éste y el objeto que está delante.


25

Recordado que la velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de valor 299.792.458 m/s.

1.6.2.1. Ley de Snell

Esta importante ley, llamada así en honor del matemático holandés Willebrord van

Roijen Snell, afirma que el producto del índice de refracción del primer medio y el seno

del ángulo de incidencia de un rayo es igual al producto del índice de refracción del

segundo medio y el seno del ángulo de refracción. El rayo incidente, el rayo refractado

y la normal a la superficie de separación de los medios en el punto de incidencia están

en un mismo plano. En general, el índice de refracción de una sustancia transparente

más densa es mayor que el de un material menos denso, es decir, la velocidad de la

luz es menor en la sustancia de mayor densidad. Por tanto, si un rayo incide de forma

oblicua sobre un medio con un índice de refracción mayor, se desviará hacia la normal,

mientras que si incide sobre un medio con un índice de refracción menor, se desviará

alejándose de ella. Los rayos que inciden en la dirección de la normal son reflejados y

refractados en esa misma dirección.

Para un observador situado en un medio menos denso, como el aire, un objeto situado

en un medio más denso parece estar más cerca de la superficie de separación de lo


26

que está en realidad. Un ejemplo habitual es el de un objeto sumergido, observado

desde encima del agua, como se muestra en la figura 1-16 (sólo se representan rayos

oblicuos para ilustrar el fenómeno con más claridad). El rayo DB procedente del punto

D del objeto se desvía alejándose de la normal, hacia el punto A. Por ello, el objeto

parece situado en C, donde la línea ABC intercepta una línea perpendicular a la

superficie del agua y que pasa por D.

En la figura 1-17 se muestra la trayectoria de un rayo de luz que atraviesa varios

medios con superficies de separación paralelas. El índice de refracción del agua es

más bajo que el del vidrio. Como el índice de refracción del primer y el último medio es

el mismo, el rayo emerge en dirección paralela al rayo incidente AB, pero resulta

desplazado.


27

Cuando la luz atraviesa un prisma —un objeto transparente con superficies planas y

pulidas no paralelas—, el rayo de salida ya no es paralelo al rayo incidente. Como el

índice de refracción de una sustancia varía según la longitud de onda, un prisma puede

separar las diferentes longitudes de onda contenidas en un haz incidente y formar un

espectro. En la figura 1-18, el ángulo CBD entre la trayectoria del rayo incidente y la

trayectoria del rayo emergente es el ángulo de desviación. Puede demostrarse que

cuando el ángulo de incidencia es igual al ángulo formado por el rayo emergente, la

desviación es mínima. El índice de refracción de un prisma puede calcularse midiendo

el ángulo de desviación mínima y el ángulo que forman las caras del prisma.


28

1.6.2.2. Ángulo crítico

Puesto que los rayos se alejan de la normal cuando entran en un medio menos denso,

y la desviación de la normal aumenta a medida que aumenta el ángulo de incidencia,

hay un determinado ángulo de incidencia, denominado ángulo crítico o ángulo límite,

para el que el rayo refractado forma un ángulo de 90º con la normal, por lo que avanza

justo a lo largo de la superficie de separación entre ambos medios. Si el ángulo de

incidencia se hace mayor que el ángulo crítico, los rayos de luz serán totalmente

reflejados. La reflexión total no puede producirse cuando la luz pasa de un medio

menos denso a otro más denso. Las tres ilustraciones de la figura 1-19 muestran la

refracción ordinaria, la refracción en el ángulo crítico y la reflexión total.


29

La fibra óptica es una nueva aplicación práctica de la reflexión total. Cuando la luz entra

por un extremo de un tubo macizo de vidrio o plástico, puede verse reflejada totalmente

en la superficie exterior del tubo y, después de una serie de reflexiones totales

sucesivas, salir por el otro extremo. Es posible fabricar fibras de vidrio de diámetro muy

pequeño, recubrirlas con un material de índice de refracción menor y juntarlas en haces

flexibles o placas rígidas que se utilizan para transmitir imágenes. Los haces flexibles,

que pueden emplearse para iluminar además de para transmitir imágenes, son muy

útiles para la exploración médica, ya que pueden introducirse en cavidades estrechas e

incluso en vasos sanguíneos.

1.6.3. Visión humana

1.6.3.1. Visión periférica y central

En el fondo del ojo hay una membrana denominada retina, la cual es sensible al

estímulo luminoso. La misma está compuesta de una capa delgada de tejido nervioso,

en la cual hay dos tipos de fibras nerviosas en forma de células sensitivas a la luz,

denominadas conos y bastones. La concentración de los conos y bastones varía sobre

el área de la retina. Una pequeña depresión en el centro de la retina, de un diámetro

alrededor de 0,5 mm, contiene sólo conos (la fovea). Fuera de dicha área libre de

bastones, los bastones y conos están mezclados, la proporción de los conos disminuye

en el área periférica de la retina.

VISIÓN CENTRAL: Los conos en la fovea producen una imagen nítida,

permitiendo ver todos los detalles de la misma.

VISIÓN PERIFÉRICA: (figura 1-20) La periferia da la retina, compuesta

principalmente por bastones, no produce una visión nítida, los objetos

observados desde dicha área parecen siluetas borrosas. Sin embargo, es muy

sensitiva al movimiento y al parpadeo.


30

Figura 1-20

1.6.3.2. Visión de los colores

Los conos nos permiten distinguir los colores. Existen tres tipos de conos, con

pigmentos sensitivos a las partes rojas, verdes y azules del espectro. La mente

interpreta la estimulación relativa de los tres receptores de color como la impresión de

color.

1.6.3.3. Sensibilidad espectral del ojo

Dentro del rango visible del espectro electromagnético la sensibilidad del ojo varía

según las longitudes de ondas de igual potencia energética. Por ejemplo, el ojo es al

menos veinte veces más sensible a la luz con una longitud de onda de 555 nm

(amarillo - verde) que con longitudes de onda de 700 nm (rojo profundo / oscuro).


31

1.6.3.4. Adaptación

Proceso de modificación de las propiedades del órgano de la visión según los niveles

de iluminancias (lux).

1.6.3.5. Acomodación

Modificación de los elementos ópticos del ojo de acuerdo con la distancia de los objetos

observados.

1.6.3.6. Contraste

El factor dominante en la discriminación de un objeto es la diferencia en iluminancia o

color entre el objeto observado y su alrededor inmediato. Subjetivamente, contraste es

la evaluación de la diferencia en apariencia de dos partes de un campo de visión vistos

simultánea o sucesivamente. En el sentido objetivo, contraste se define como la

relación entre la luminancia del objeto y del fondo.

1.6.3.7. Agudeza Visual

Cualitativamente, es la capacidad de percepción distinta de objetos que aparecen muy

próximos unos a otros. Cuantitativamente, es la inversa del valor en minutos del menor

ángulo bajo el cual el ojo puede todavía percibir separados dos objetos que aparecen

muy próximos uno a otro. Por lo tanto la agudeza es una medida del detalle más

pequeño que pueda percibir. Depende del nivel de iluminancia, contraste y tiempo de

observación.


32

1.6.3.8. Velocidad de Recepción

La velocidad de percepción depende del nivel de luminancia. Se puede definir como la

inversa del intervalo de tiempo entre la presentación de un objeto y la percepción de su

forma. Correspondientemente, la velocidad de la percepción de contraste es la inversa

del intervalo de tiempo entre el instante en el cual se presenta el contraste y el instante

en el cual se percibe.

1.7. Onda mecánica

Una onda mecánica es una perturbación de las propiedades mecánicas de un medio

material (posición, velocidad y energía de sus átomos o moléculas) que se propaga en

el medio.

Todas las ondas mecánicas requieren:

Alguna fuente que cree la perturbación.

Un medio en el que se propague la perturbación.

Algún medio físico a través del cual elementos del medio puedan influir uno al

otro.

El sonido es el ejemplo más conocido de onda mecánica, que en los fluidos se propaga

como onda longitudinal de presión.

http://es.wikipedia.org/wiki/Sonido

http://es.wikipedia.org/wiki/Onda_longitudinal

http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n


33

1.7.1. En función de su propagación o frente de onda

Propagación de una onda por presión dentro de un émbolo.

Ondas unidimensionales: las ondas unidimensionales son aquellas que se

propagan a lo largo de una sola dirección del espacio, como las ondas en los

muelles o en las cuerdas. Si la onda se propaga en una dirección única, sus

frentes de onda son planos y paralelos.

Ondas bidimensionales o superficiales: son ondas que se propagan en

dos direcciones. Pueden propagarse, en cualquiera de las direcciones de

una superficie, por ello, se denominan también ondas superficiales. Un

ejemplo son las ondas que se producen en la superficie de un lago cuando

se deja caer una piedra sobre él.

Ondas tridimensionales o esféricas: son ondas que se propagan en tres

direcciones. Las ondas tridimensionales se conocen también como ondas

esféricas, porque sus frentes de ondas son esferas concéntricas que salen

de la fuente de perturbación expandiéndose en todas direcciones. El sonido

es una onda tridimensional. Son ondas tridimensionales las ondas sonoras

(mecánicas) y las ondas electromagnéticas.

1.7.2. En función de la dirección de la perturbación

Ondas longitudinales: el movimiento de las partículas que transportan la

onda es paralelo a la dirección de propagación de está. Por ejemplo, un

muelle que se comprime da lugar a una onda longitudinal.

http://luz.izt.uam.mx/mediawiki/index.php?title=Especial:SubirArchivo&wpDestFile=Propagation_onde_tuyau.svg

http://luz.izt.uam.mx/mediawiki/index.php?title=Onda_longitudinal&action=edit&redlink=1


34

Ondas transversales: las partículas se mueven perpendicularmente a la

dirección de propagación de la onda (Ver figura 1-20).

Figura 1-21. Representación gráfica de Ondas Longitudinales y Ondas Transversales

1.7.3. En función de su periodicidad

Ondas periódicas: la perturbación local que las origina se produce en ciclos

repetitivos, por ejemplo una onda senoidal.

Ondas no periódicas: la perturbación que las origina se da aisladamente o

en el caso de que se repita, las perturbaciones sucesivas tienen

características diferentes. Las ondas aisladas se denominan también pulsos.

1.7.4. Frecuencia

Es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de

cualquier fenómeno o suceso periódico.

http://luz.izt.uam.mx/mediawiki/index.php?title=Onda_transversal&action=edit&redlink=1

http://luz.izt.uam.mx/mediawiki/index.php?title=Onda_peri%C3%B3dica&action=edit&redlink=1

http://luz.izt.uam.mx/mediawiki/index.php?title=Onda_senoidal&action=edit&redlink=1


35

Para calcular la frecuencia de un suceso. Según el SI (Sistema Internacional), la

frecuencia se mide en Hertz (Hz). La frecuencia de oscilación de una partícula (o de

cualquier magnitud, por ejemplo el voltaje de una señal eléctrica) es la cantidad de

ciclos completos en un tiempo, e indica el número de ciclos completos en un segundo.

Un ciclo es el recorrido completo que efectúa una partícula desde su posición central,

hasta llegar otra vez a esa misma posición, habiendo pasado por su posición de

desplazamiento máximo y mínimo.

1 Hz = 1 vuelta o revolución/segundo

Un método alternativo para calcular la frecuencia es medir el tiempo entre dos

repeticiones (periodo) y luego calcular la frecuencia (f) recíproca de esta manera:

Frecuencia = 1/ periodo de la señal

1.7.5. Ultrasonido

El termino ultrasonido se refiere a las ondas o vibraciones sonoras que tienen una

frecuencia que está por encima de la capacidad auditiva del oído humano, por arriba de

los 20,000 Hz Esta energía se propaga en forma de ondas de compresión longitudinal

y necesita de un medio elástico para ser transmitido.

1.7.6. Velocidad de propagación del sonido

La velocidad de propagación de la onda sonora (velocidad del sonido) depende de las

características del medio en el que se realiza dicha propagación y no de las

características de la onda o de la fuerza que la genera. En el caso de un gas (como el


36

aire) es directamente proporcional a su temperatura específica y a su presión estática e

inversamente proporcional a su densidad. Dado que si varía la presión, varía también la

densidad del gas, la velocidad de propagación permanece constante ante los cambios

de presión o densidad del medio.

Pero la velocidad del sonido sí varía ante los cambios de temperatura del aire (medio);

Cuanto mayor es la temperatura del aire mayor es la velocidad de propagación, la

velocidad del sonido en el aire aumenta 0,6 m/s por cada 1º C de aumento en la

temperatura.

La velocidad del sonido en el aire es de aproximadamente 344 m/s a 20º C de

temperatura, lo que equivale a unos 1.200 km/h (1.238,4 km/h, para ser precisos). Es

decir que necesita unos 3 s para recorrer 1 km

1.7.1. Longitud de onda

La longitud de una onda es el período espacial de la misma, es decir, la distancia a la

que se repite la forma de la onda. Normalmente se consideran dos puntos consecutivos

que poseen la misma fase: dos máximos, dos mínimos, dos cruces por cero (en el

mismo sentido). Por ejemplo, la distancia recorrida por la luz azul (que viaja a

299.792.458 m/s) durante el tiempo transcurrido entre dos máximos consecutivos de su

campo eléctrico (o magnético) es la longitud de onda de esa luz azul. La luz roja viaja a

la misma velocidad, pero su campo eléctrico aumenta y disminuye más lentamente que

el de la luz azul. Por tanto, la luz roja avanzará más distancia que la luz azul en el

mismo tiempo. Por eso la longitud de onda de la luz roja es mayor que la longitud de

onda de la luz azul. Si se representa esa propiedad (el campo eléctrico en el ejemplo

mencionado) en una gráfica entonces se puede decir que la longitud de onda se

representa en esa misma gráfica como la distancia entre dos máximos consecutivos.

En otras palabras, describe lo larga que es la onda. Las ondas de agua en el océano,

las ondas de presión en el aire, y las ondas de radiación electromagnética tienen todas

sus correspondientes longitudes de onda. La longitud de onda es una distancia real

recorrida por la onda (que no es necesariamente la distancia recorrida por las


37

partículas o el medio que propaga la onda, como en el caso de las olas del mar, en las

que la onda avanza horizontalmente y las partículas se mueven verticalmente) (figura

1-22).

Figura 1-22

1.8. MATLAB

http://1.bp.blogspot.com/-87ZunwqeFA8/TZiNMZSxFpI/AAAAAAAAAAM/-zyQrgs9c0c/s1600/00.gif


38

MATLAB es un lenguaje de alto desempeño diseñado para realizar cálculos técnicos.

Que integra el cálculo, la visualización y la programación en un ambiente fácil de utilizar

donde los problemas y las soluciones se expresan en una notación matemática.

MATLAB es un sistema interactivo cuyo elemento básico de datos es el arreglo que no

requiere de dimensionamiento previo. Esto permite resolver muchos problemas

computacionales, específicamente aquellos que involucren vectores y matrices, en un

tiempo mucho menor al requerido para escribir un programa en un lenguaje escalar no

interactivo tal como C o Fortran.

MATLAB se utiliza ampliamente en:

Cálculos numéricos.

Desarrollo de algoritmos.

Modelado, simulación y prueba de prototipos.

Análisis de datos, exploración y visualización.

Realización de gráficos de datos con fines científicos o de ingeniería.

Desarrollo de aplicaciones que requieran de una interfaz gráfica de usuario (GUI,

Graphical User Interface).

MATLAB está perfectamente adaptado para la programación y el desarrollo de

aplicaciones. El lenguaje de programación interactivo permite un prototipo rápido y

probar soluciones sin escribir códigos C o C++.


39

1.8.1. MATLAB aplicado a la Ingeniería

En los últimos años, en el mundo de la ingeniería el tiempo de desarrollo e

investigación se ha reducido debido a que los científicos e ingenieros no tienen que

programar sus herramientas de diseño. Hoy en día, es posible contar con paquetes de

programa que contienen una gran cantidad de funciones y aplicaciones que se

intercomunican a través de un lenguaje de programación matricial. Un ejemplo de este

tipo de aplicaciones es MATLAB, que es considerado una herramienta esencial en el

mundo de la ingeniería.

Con MATLAB es posible combinar muchas disciplinas tales como estadística, análisis

matemático, procesamiento digital de señales, diseño de filtros analógicos,

entrenamiento de redes neuronales artificiales, etc. de una manera muy sencilla a

través de un lenguaje de programación orientado a matrices.


40

2. DETECCION DE PUNTOS CIEGOS

2.1. Planteamiento del problema

En México y en el mundo, los puntos ciegos son un gran problema debido a que,

involucran casi el 20% de los accidentes (aproximadamente 54,800 accidentes al año),

de los cuales muchos de estos terminan en tragedia. Y en mayor parte de estos

accidentes, las personas más afectadas, ni siquiera son los causantes.

2.2. Puntos ciegos

Los conductores que van aislados en el interior de su vehículo, deben saber que a los

lados y por detrás existen puntos ciegos (Figura 2-1). Es una forma de referirse a

aquellas zonas que, a pesar de que se utilicen los retrovisores laterales y el retrovisor,

no es posible ver toda el área alrededor del vehículo. Muchas veces se infravalora la

dimensión de la superficie afectada por los puntos ciegos, pero puede llegar a constituir

el 38% de todo el vehículo.

Figura 2-1. Representación gráfica de los puntos ciegos


41

Figura 2-1-2 representación de puntos ciegos en transporte pesado

La visión reducida del panorama es causada en gran parte por el diseño y altura de las

cabinas del conductor.

Generalmente en el transporte pesado, en las SUV, pick up o minivan; Las puertas y

asientos son muy altos, como consecuencia las camionetas tienden a elevar su altura,

lo que significa que niños pequeños y adultos de baja estatura pueden ser atropellados

cuando el auto está aparcando, se mueve hacia atrás o al doblar en una esquina.

Debido a que el conductor no alcanza a verlos por el espejo retrovisor o los espejos

laterales.

2.3. Solución

Para solucionar este problema es necesario realizar un dispositivo capaz de medir la

distancia entre un objeto y él mismo.


42

2.4. Diagrama a bloques del sistema

Este dispositivo se propone que esté formado por el siguiente diagrama a bloques:

TX: envía los pulsos de ultrasonido

RX: recibe los pulsos enviados por el TX

Amplificador: amplifica la señal del TX y del RX

Oscilador: da la referencia de tiempo para los pulsos

Comparador: compara la señal transmitida con la que se recibió

ADC: convierte la señal de analógica a digital

LM35: sensor de temperatura ambiente

Puerto COM: puerto de comunicación entre el dispositivo y la computadora

Led rojo: señal visual de peligro

Led verde: señal visual de zona libre


43

2.5. Instalación

Externa

La instalación tiene que ser sencilla se colocaría en un gabinete de acrílico (para evitar

contacto directo con el agua y o residuos en el camino), este gabinete puede estar

colocado debajo del vehículo, sobre el toldo (o techo) del vehículo, o más

profesionalmente, realizar en la carrocería un corte para instalarlo a un lado del

vehículo (figura 2-2) (únicamente calibrándolo manualmente, es decir, moviendo el

sensor de modo a que cubra el punto ciego del conductor).

Interna

Para una mejor visualización se pensó en colocar Led’s a un costado de los espejos

laterales (Figura 2-3 y 2-4).


44

Figura 2-3. Lugar de los Led’s en un automóvil

Figura 2-4. Lugar de los Led’s en transporte pesado

En realidad el proyecto se realiza para que los nuevos vehículos ya salgan de fábrica

con el dispositivo ya instalado.


45

2.6. Rango del dispositivo instalado

Figura 2-5. Rango de visión con sistema implementado

Con la figura 2-5. Se puede observar que los dispositivos eliminan el 100% de los

puntos ciegos laterales del vehículo, esto mismo se puede implementar en los

transportes pesados y automóviles grandes.

2.5 mtrs

2.5 mtrs


46

3. SISTEMA DE DETECCION

3.1. Arduino Uno

El Arduino Uno es una placa electrónica basada en el microprocesador Atmega328.

Tiene 14 pines digitales de entrada / salida (de las cuales 6 se puede utilizar como

salidas PWM), 6 entradas analógicas, un 16 MHz resonador cerámico, una conexión

USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP (In Circuit Serial Programming),

y un botón de reinicio. Contiene todo lo necesario para apoyar el microcontrolador,

basta con conectarlo a un ordenador con un cable USB o el poder con un adaptador

AC-DC o batería.

El Uno se diferencia de todos los modelos anteriores, ya que no utiliza el chip

controlador FTDI USB-a-serial.


47

3.1.1. Resumen

Microcontroladores ATmega328

Voltaje de funcionamiento 5V

Voltaje de entrada (recomendado) 7-12V

Voltaje de entrada (límites) 6-20V

Pines E / S digitales 14 (de los cuales 6 proporcionan PWM)

Pines de entrada analógica 6

DC Corriente por I / O Pin 40 mA

Corriente CC para Pin 3.3V 50 mA

Memoria Flash 32 KB (ATmega328) de los cuales 0,5 KB utilizado por

gestor de arranque

SRAM 2 KB (ATmega328)

EEPROM 1 KB (ATmega328)

Velocidad del reloj 16 MHz

3.1.2. Potencia

El Arduino Uno puede ser alimentado a través de la conexión USB o con una fuente de

alimentación externa. La fuente de alimentación se selecciona automáticamente.

(No USB) Fuente de alimentación externa puede venir con un adaptador de AC-DC

(pared-verruga) o la batería. El adaptador se puede conectar al conectar un enchufe de

2,1 mm de centro positivo en el conector de alimentación de la placa. Cables de la

batería se pueden insertar en los cabezales de pin GND y Vin del conector de

alimentación.

La tarjeta puede funcionar con un suministro externo de 6 a 20 voltios. Si se

proporcionan menos de 7V, sin embargo, el pin de 5V puede suministrar menos de


48

cinco voltios y la junta puede ser inestable. Si se utiliza más de 12V, el regulador de

voltaje se puede sobrecalentar y dañar la placa. El rango recomendado es de 7 a 12

voltios.

Los pines de alimentación son como sigue:

VIN. El voltaje de entrada a la placa Arduino cuando se trata de utilizar una

fuente de alimentación externa (en lugar de 5 voltios de la conexión USB u otra

fuente de alimentación regulada). Puede suministrar tensión a través de este pin,

o, si el suministro de tensión a través de la toma de alimentación, el acceso a

través de este pin.

5V. Este pin como salida una 5V regulada desde el regulador en el tablero. El

tablero puede ser alimentado ya sea desde la toma de la corriente continua (7 -

12), el conector USB (5V) o el pasador de VIN del tablero (7-12V). El suministro

de tensión a través de los 5V o 3.3V no pasa por el regulador, y puede dañar la

placa.

3V3. Un suministro de 3,3 voltios generados por el regulador a bordo. El drenaje

actual máximo es de 50 mA.

GND. Patillas de tierra.

IOREF. Este pin de la placa Arduino proporciona la referencia de tensión con la

que opera el microcontrolador. Un escudo configurado puede leer el voltaje pin

IOREF y seleccione la fuente de alimentación adecuada o habilitar traductores

voltaje en las salidas para trabajar con los 5V o 3.3V.

3.1.3. Memoria

El ATmega328 tiene 32 KB (con 0,5 KB utilizado por el gestor de arranque). También

dispone de 2 KB de SRAM y 1 KB de EEPROM.

Este microcontrolador de la familia Atmega de Atmel tiene un procesador de 8 bits y

una frecuencia de funcionamiento de hasta 20Mhz, 32Kbytes de memoria FLASH, 6

CAD de 10 bits, 23 entradas/salidas de propósito general, voltaje de operación 1.8-5 V,

empaquetado 28 DIP.


49

3.1.4. Entrada y salida

Cada uno de los 14 pines digitales en el Uno se puede utilizar como una entrada o

salida, usando pinMode () , digitalWrite () , y digitalRead () funciones. Ellos funcionan a

5 voltios. Cada pin puede proporcionar o recibir un máximo de 40 mA y tiene una

resistencia pull-up interna (desconectada por defecto) de 20 a 50 kOhm. Además,

algunos pines tienen funciones especializadas:

Serie: 0 (RX) y 1 (TX) Se utiliza para recibir (RX) y transmitir (TX) datos serie

TTL. Estos pasadores están conectados a las clavijas correspondientes de la

ATmega8U2 de USB a TTL chip de serie.

Interrupciones externas:. 2 y 3 Estos pines pueden ser configurados para

activar una interrupción en un valor bajo, un flanco ascendente o descendente, o

un cambio en el valor.

PWM: 3, 5, 6, 9, 10, 11 y proporcionar una salida de PWM de 8 bits.

SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) Estos pines apoyo a la

comunicación SPI.

LED: 13 Hay un built-in LED conectado al pin digital 13. Cuando el pin es un

valor alto, el LED está encendido, cuando el pasador es bajo, es apagado.

El Uno tiene 6 entradas analógicas, etiquetados A0 a A5, cada uno de los cuales

proporcionan 10 bits de resolución (es decir, 1.024 valores diferentes). Por defecto se

miden desde el suelo a 5 voltios, aunque es posible cambiar el extremo superior de su

rango con el pin AREF y la analogReference function (). Además, algunos pines tienen

funciones especializadas:

TWI: A4 o A5 y el pin SDA y SCL pin Support comunicación TWI mediante.

librería Wire .

Hay un par de pines de la placa:

AREF. Voltaje de referencia para las entradas analógicas. Se utiliza con

analogReference ().

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3Dque%2Bes%2Bel%2Barduino%2Buno%26biw%3D1600%26bih%3D740&rurl=translate.google.com.mx&sl=en&u=http://arduino.cc/en/Reference/PinMode&usg=ALkJrhhBjmzPvRy0zhyQQ-kxqJnRMbkxmg

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3Dque%2Bes%2Bel%2Barduino%2Buno%26biw%3D1600%26bih%3D740&rurl=translate.google.com.mx&sl=en&u=http://arduino.cc/en/Reference/DigitalWrite&usg=ALkJrhjNVwSbtnhyqgKen_-W9e5wK8M86Q

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3Dque%2Bes%2Bel%2Barduino%2Buno%26biw%3D1600%26bih%3D740&rurl=translate.google.com.mx&sl=en&u=http://arduino.cc/en/Reference/DigitalRead&usg=ALkJrhgQy9mlSuWMwk9AanWIUZoXoGjQGQ

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3Dque%2Bes%2Bel%2Barduino%2Buno%26biw%3D1600%26bih%3D740&rurl=translate.google.com.mx&sl=en&u=http://arduino.cc/en/Reference/AnalogReference&usg=ALkJrhiMWoN9dkUxniFrVSZKVNi3OGQ9SQ

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3Dque%2Bes%2Bel%2Barduino%2Buno%26biw%3D1600%26bih%3D740&rurl=translate.google.com.mx&sl=en&u=http://arduino.cc/en/Reference/Wire&usg=ALkJrhhqpATPsqzFTmwV2iG6Z_FPwV56Ug

http://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3Dque%2Bes%2Bel%2Barduino%2Buno%26biw%3D1600%26bih%3D740&rurl=translate.google.com.mx&sl=en&u=http://arduino.cc/en/Reference/AnalogReference&usg=ALkJrhiMWoN9dkUxniFrVSZKVNi3OGQ9SQ


50

Restablecer. Lleve esta línea LOW para reiniciar el microcontrolador.

Normalmente se utiliza para agregar un botón de reinicio para escudos que

bloquean la que está en el tablero.

ADC. Lee el valor de tensión en el pin analógico especificado. La placa Arduino

posee 6 canales (8 canales en el Mini y Nano y 16 en el Mega) conectados a un

conversor analógico digital de 10 bits. Esto significa que convertirá tensiones

entre 0 y 5 voltios a un número entero entre 0 y 1023. Esto proporciona una

resolución en la lectura de: 5 voltios / 1024 unidades, es decir, 0.0049 voltios

(4.9 mV) por unidad. El rango de entrada puede ser cambiado usando la

función analogReference().

El conversor tarda aproximadamente 100 microsegundos (0.0001 segundos) en

leer una entrada analógica por lo que se puede llevar una tasa de lectura

máxima aproximada de 10.000 lecturas por segundo.

3.1.5. Comunicación

El Arduino Uno tiene un número de instalaciones para la comunicación con un

ordenador, otro Arduino, u otros microcontroladores. El firmware '16U2 utiliza los

controladores de COM USB estándar, y no se necesita ningún controlador externo. Sin

embargo, en Windows, se requiere un archivo. inf . El programa de Arduino incluye un

monitor de puerto serie que permite a los datos de texto simples para ser enviados

hacia y desde la placa Arduino. Los LEDs RX y TX de la placa parpadearán cuando los

datos se transmiten a través del chip USB a serie y la conexión USB al ordenador (pero

no para la comunicación en serie en los pines 0 y 1).

El ATmega328 también soporta la comunicación I2C (TWI) y SPI. El programa de

Arduino incluye una librería Wire para simplificar el uso del bus I2C.


51

3.1.6. Programación

El Arduino Uno se puede programar con el programa de Arduino. Seleccione "Arduino

Uno desde el menú Herramientas>.

El ATmega328 en la Arduino Uno viene con un cargador de arranque que le permite

cargar nuevo código a la misma sin el uso de un programador de hardware externo. Se

comunica utilizando el protocolo STK500 original.

También puede pasar por alto el gestor de arranque y el programa del microcontrolador

a través del ICSP (programación en circuito serie) cabecea.

3.1.7. Características físicas

La longitud y la anchura de la PCB Uno máximo son 2,7 y 2,1 pulgadas,

respectivamente, con el conector USB y el conector de alimentación que se extiende

más allá de la dimensión anterior. Cuatro orificios de los tornillos que la Junta pueda

fijarse a una superficie o caja. Tenga en cuenta que la distancia entre los pines digitales

7 y 8 es de 160 milésimas de pulgada (0,16 "), no es un múltiplo par del milésimas de

pulgada espaciamiento de los otros pernos 100.

3.1.8. Temporizador

ATmega48/88/168/328 tiene un temporizador de vigilancia mejorada (WDT). El WDT es

un temporizador de conteo de ciclos de un oscilador de 128 kHz por separado en el

chip. El WDT da una interrupción o un sistema de reajuste cuando el contador alcanza

un valor de tiempo de espera determinado. En el modo de funcionamiento normal, se

requiere que el sistema utiliza el WDR - Temporizador Watchdog Restablecer -

instrucciones para reiniciar el contador antes de que el tiempo de espera que se


52

alcance. Si el sistema no se reinicia el contador tiene lugar un retorno de interrupción o

del sistema se emitirá.

3.1.9. Uso del Arduino

De acuerdo al diagrama a bloques la función del microcoontrolador la tomará la placa

del Arduino, debido a que es económico, es un software libre, es de fácil programación

y multiplataforma.

3.2. Código fuente para el micro controlador

3.2.1. Diagrama de flujo del programa

Se realiza el siguiente diagrama de flujo para la elaboración del programa.


53


54

El Código fuente fue realizado con el programa en Arduino (figura 3-1), se menciona a

continuación.

//Se definen los Puertos que utilizara el Arduino para el trig el echo y los led’s

#define trigPin 13

#define echoPin 8

#define ledr 7 // salida de Led rojo

#define ledv 5 // salida del Led verde

void setup()

{

Serial.begin (9600);//para habilitar puerto serial

pinMode(trigPino, OUTPUT);

pinMomde(echoPin, INPUT);

pinMode(ledr, OUTPUT);

pinMode(ledv, OUTPUT);

}

void loop()

{

long duration, distance;

digitalWrite(trigPin, LOW);

delayMicroseconds(5); //tiempo de encendido del disparador

digitalWrite(trigPin, HIGH);

delayMicroseconds(5); //tiempo de apagado del disparador

digitalWrite(trigPin, LOW);

duracion = pulseIn(echoPin, HIGH);

distancia = (duracion/2) / 29.1; //cálculo de la distancia

if (distancia < 300) { // Distancia de proximidad

digitalWrite(ledr,HIGH);

digitalWrite(ledv,LOW); //condiciones para encender leds

}

else

{

digitalWrite(ledr,LOW);

digitalWrite(ledv,HIGH);


55

}

if (distancia >= 450 || distancia <= 0) //imprimir distancia

{

Serial.println("Fuera de rango");

}

else

{

Serial.print(distancia);

Serial.println(" cm");

}

delay(50);//

}


56

Figura 3-1- captura de pantalla del Arduino


57

Este programa compara el tiempo que tarda en salir la señal y en regresar para calcular

la distancia, contiene condiciones para encender led’s que advierten de la proximidad

de un objeto y envía información a través de un puerto USB (figura 3-2).

Figura 3-2. Captura de pantalla del programa funcionando en el arduino 1, de el lado derecho

se muestra el programa y del lado izquirdo la distancia en la que se encuentra el objeto


58

3.3. Indicador Visual

Para el indicador visual se optó por la opción de usar dos Led’s, uno de color rojo y otro

verde, esto porque se está acostumbrado a que el color rojo indica peligro o detenerse

y el color verde indica zona libre.

3.3.1. Diodo emisor de luz

Un diodo es un componente electrónico a través del cual la corriente pasa en un solo

sentido. Los diodos emisores de luz (LED, acrónimo de Light-Emitting Diode) son

semiconductores que generan luz al pasar una corriente a través de ellos. Se emplean

en numerosos dispositivos comunes, como el sintonizador de un aparato de radio. Una

disposición de siete LED en forma de ocho puede utilizarse para presentar cualquier

número del 0 al 9. Esta disposición suele emplearse en calculadoras y relojes digitales.

3.4. Funcionamiento del detector

El módulo inicia a trabajar al recibir un pulso positivo en la línea del disparo (trig) de al

menos 10us. Luego de que el módulo recibe el pulso, este envía una señal ultrasónica

y el módulo cambia el estado de la línea "echo" de 0 a 1 y la línea permanece en 1

hasta que se recibe el eco o en su defecto hasta que ha pasado el tiempo máximo de

medición; Si recibe el eco este mide el tiempo que tardo en recibirlo, de esta manera se

puede obtener la distancia en la cual se encuentra el objeto.


59

Esto último resulta más fácil de visualizarse en el siguiente diagrama:

Figura 3-3

3.5. Medición de temperatura

3.5.1. LM35

El LM35 es un sensor de temperatura integrado de precisión, cuya tensión de salida es

linealmente proporcional a temperatura en ºC (grados centígrados). El LM35 por lo

tanto tiene una ventaja sobre los sensores de temperatura lineal calibrada en grados

Kelvin: que el usuario no está obligado a restar una gran tensión constante para

obtener grados centígrados. El LM35 no requiere ninguna calibración externa o ajuste

para proporcionar una precisión típica de ± 1.4 ºC a temperatura ambiente y ± 3.4 ºC a

lo largo de su rango de temperatura (de -55 a 150 ºC). El dispositivo se ajusta y calibra

durante el proceso de producción. La baja impedancia de salida, la salida lineal y la

precisa calibración inherente, permiten la creación de circuitos de lectura o control

especialmente sencillos. El LM35 puede funcionar con alimentación simple o

alimentación doble (+ y -)

Requiere sólo 60 µA para alimentarse, y bajo factor de auto-calentamiento, menos de

0,1 ºC en aire estático. El LM35 está preparado para trabajar en una gama de


60

temperaturas que abarca desde los- 55 ºC bajo cero a 150 ºC, mientras que el LM35C

está preparado para trabajar entre -40 ºC y 110 ºC (con mayor precisión).

3.5.2. Características

•Calibrado directamente en grados Celsius (Centígrados)

•Factor de escala lineal de +10 mV / ºC

•0,5ºC de precisión a +25 ºC

•Rango de trabajo: -55 ºC a +150 ºC

•Apropiado para aplicaciones remotas

•Bajo coste

•Funciona con alimentaciones entre 4V y 30V

•Menos de 60 µA de consumo

•Bajo auto-calentamiento (0,08 ºC en aire estático)

•Baja impedancia de salida, 0,1W para cargas de 1mA

3.5.3. Aplicación

Debido a que el sistema funciona mediante la detección de objetos por medio de la

propagación de ondas ultrasónicas es necesario tomar en cuenta que la temperatura

en el ambiente (espacio), influye directamente en la velocidad de propagación de la

onda ultrasónica, por ello para que exista mayor veracidad en el tratamiento de la

información, se propone futuramente utilizar sensores de temperatura, los cuales

estarán censando cual es la temperatura existente en todo momento en que se esté

utilizando el sistema.

La velocidad del sonido en el aire aumenta 0,6 m/s por cada 1º C de aumento en la

temperatura.

Una velocidad aproximada (en metros/segundo) puede ser calculada mediante la

siguiente fórmula empírica:


61

Donde es la temperatura en grados Celsius

En la siguiente tabla (Figura 3-3) se presenta la relación entre la velocidad de

propagación respecto a la temperatura ºC

temperatura °C velocidad del sonido

m/s

0 331.4

1 332.01

2 332.62

3 333.22

4 333.84

5 334.45

6 335.06

7 335.66

8 336.28

9 336.89

10 337.5

11 338.1

12 338.71

13 339.33

14 339.94

15 340.54

16 341.15

17 341.77

18 342.38

19 342.98

20 343.59

21 344.21

22 344.82

23 345.42

24 346.03

25 346.65

26 347.26

27 347.87

28 348.47

29 349.09

30 349.7

31 350.31

32 350.91


62

33 351.53

34 352.14

35 352.75

36 353.35

37 353.96

38 354.58

39 355.19

40 355.79

41 356.4

42 357.02

43 357.63

44 358.23

45 358.84

46 359.46

47 360.07

48 360.67

49 361.28

50 361.9

Figura 3-4

3.5.4. Observación

Este dispositivo no se pudo implementar en este proyecto por falta de tiempo, pero

sería muy buena opción continuar este proyecto implementando el sensor de

temperatura.

El proyecto tendría que incluir en la programación una condición; donde el LM35

proporcione la temperatura ambiente y de acuerdo a la tabla (figura 3-3) asignar la

velocidad del sonido correspondiente para calcular la distancia.


63

4. IMPLEMENTACIÓN Y PRUEBAS

4.1. Prototipo

Elementos

Figura 4-1 Fotografía del prototipo armado y sus componentes.

En la figura 4-1 se observa los componentes del prototipo como el sensor ultrasónico

HC-SR04, que es el modelo que se utilizó para la elaboración de dicho dispositivo, la

placa del Arduino Uno modelo R3 y el indicador visual, que son los dos Led’s, uno de

color rojo y uno verde,


64

Microcontrolador Arduino

Figura 4-2 componentes de la placa del Arduino

En la figura 4-2, se observan los componentes de la placa del Arduino donde se tiene

principalmente el microcontrolador ATMEGA 328, todos sus puertos de entrada y

salida, así como su puerto de alimentación externo y el puerto USB.

4.2. Implementación de MATLAB

Se utilizó MATLAB para verificar los datos que proporciona el Arduino fuesen los

correctos.

4.2.1. Código Fuente del MATLAB


65

El siguiente programa se realizó con la herramienta de MATLAB (Figura 4-2), mostrado

a continuación:

%Borra conexiones previas

delete(instrfind({'Port'},{'COM7'}));

%Crear una conexiono serie

s = serial('COM7','BaudRate',9600,'Terminator','CR/LF');

warning('off','MATLAB:serial:fscanf:unsuccessfulRead');

%Abre el puerto

fopen(s);

%Inicializar las variables

Nvalores=100; %Cantidad de valores a leer

m1=zeros(1,Nvalores);

i=1;

k=0;

while k<Nvalores

%Leer el puerto serie

a = fscanf(s,'%f.%f')';

m1(i)=a(1);

%Dibujar la figura

figure(1);

if mm1(i)<20

plot(m1,'r') %plot

elseif m1(i)<40&&m1(i)>20

plot(m1,'y') %plot

else

plot(m1,'b'); %plot

end

grid on;

%Incrementar el contadoro

i=i+1;

k=k+1;

end


66

Figura 4-2-1. Captura de pantalla del editor de MATLAB con el programa mencionado

Figura 4-2-2. Grafica del programa de MATLAB que muestra la distancia en la cual un objeto se

encuentra, mostrando la máxima distancia que puede alcanzar que es 450m.


67

En la gráfica 4-2-2 se observa una variación de distancias debido a que se movió

rápidamente un objeto para verificar que el dispositivo fuera capaz de percibir la

distancia correcta en cambios rápidos de la distancia entre el sensor y un objeto.

4.3. Cálculos de temperatura

Como se mencionó, este proyecto no tiene implementado un sensor de temperatura,

por lo tanto, se realizó una tabla sin cambiar la velocidad ideal, que tendría que estar

de acuerdo a los valores de la tabla del capítulo 3.4.2 (Figura 3-3), y se colocó la

velocidad que toma el sonido a 20° C, y se calculó la distancia obtenida real, si se toma

una distancia fija de 1.5 metros como base del experimento; Con la finalidad de

encontrar cual sería el error si no se implementara el sensor de temperatura. Y se

obtuvo la siguiente tabla:

Temperatura (°C)

Distancia obtenida (m)

5 1.54

6 1.54

7 1.53

8 1.53

9 1.53

10 1.53

11 1.52

12 1.52

13 1.52

14 1.51

15 1.51

16 1.51

17 1.5

18 1.5

19 1.5

20 1.5

21 1.5

22 1.5

23 1.49

24 1.49

25 1.49

26 1.48


68

27 1.48

28 1.48

29 1.47

30 1.47

31 1.47

32 1.47

33 1.46

34 1.46

35 1.46

De acuerdo a la tabla se puede observar que:

A temperaturas más frías, el objeto se encontraría más lejos de lo real y a

temperaturas más cálidas se encontraría más cerca de lo real.

Entre 17°C y 22°C no existe alteración alguna de la distancia real

En 14°C, 15°C, 16°C,23°C, 24°C y 25,La diferencia es de tan solo más-menos 1

cm

Por lo que a temperaturas extremas de 5° y 35° la distancia seria de más-menos

4cm.

4.4. Pruebas en tiempo real

Al tener el prototipo del circuito se realizaron las pruebas pertinentes para observar

que comportamiento real que se tenía de dicho circuito.

Se realizaron seis pruebas, la primera para rectificar y las cinco pruebas restantes se

realizaron en movimiento a velocidades distintas, con el fin de descartar que existiera

una afectación por “Efecto Doppler”.

Las pruebas se realizaron con un solo dispositivo debido al presupuesto para subsidiar

el proyecto.


69

4.4.1. Descripción:

1.- La primer prueba fue realizada utilizando una cinta métrica, esto para corroborar

que el programa realizara las mediciones correctas y mostrara en pantalla la distancia

correcta (figura 4-3-1 y 4-3-2).

Figura 4-3-1. Colocando el sensor a una distancia de 20 cm y rectificando en pantalla que

mostrara la misma distancia.

Figura 4-3-2. Captura de pantalla de la imagen anterior


70

2.- La segunda prueba se realizó colocando el sensor en la parte de atrás del

automóvil, moviéndose hacia atrás aparcando en un cajón hasta encontrarse con otro

vehículo (figura 4-3-3), el programa del Arduino mostró en pantalla la distancia entre el

automóvil con el dispositivo y el auto sin movimiento.

Figura 4-3-3. Prueba 2 Erick torres sosteniendo el dispositivo

3.- Se colocó manualmente el circuito prototipo en la ventanilla trasera del lado del

copiloto del automóvil (figura 4-3-5), cuidando que existiera un ángulo de inclinación

favorable cubriendo el punto ciego, esta segunda prueba se realizó dentro del instituto

(figura 4-3-4).

Figura 4-3-4. Muestra de las instalaciones del Instituto Politécnico Nacional donde se

efectuaron algunas pruebas


71

Una vez ya preparado el circuito se comenzó a mover y se colocó a una distancia

pertinente que debe de tenerse entre un carril y otro, pasando por una fila de

automóviles estacionados.

Únicamente estando en movimiento el automóvil con el prototipo, se observó que el

sensor captaba el automóvil estacionado y enseguida dejaba de captar en cuanto se

pasó por un espacio sin automóvil, la velocidad promedio para esta prueba fue de 20

km/hr.

Figura 4-3-5 Prototipo cubriendo el punto ciego del conductor

4- La cuarta prueba se realizó con dos automóviles, ambos en movimiento alcanzando

una velocidad promedio de 30 km/hrs. (figura 4-3-6)(Ambos automóviles.)

Figura 4-3-6. Fotografía, que muestra la velocidad alcanzada


72

Tomando como referencia al automóvil con el prototipo, se alcanzó una distancia

máxima de 2.5 metros a los costados del vehículo (figura 4-3-7), logrando que la señal

emitida por el circuito abarcara sin ningún problema el carril.

Figura 4-3-7. Fotografía, que muestra ambos vehículos

5- La quinta prueba consistió en realizar lo antes mencionado en el punto tres.

Adicionalmente, para la realización de dicha prueba se contó con dos vehículos, uno de

ellos con el prototipo funcionando.

El vehículo adicional maniobro en el punto ciego del vehículo piloto donde fue

anteriormente colocado dicho sensor para detectar la presencia de objetos en dicho

punto ciego.

El automóvil piloto mantuvo la velocidad promedio de 30 km/hr. Y el automóvil

secundario rebaso a una velocidad de 50 km/hr. (Figura 4-3-8). En el lapso de tiempo

que el automóvil secundario realizó la maniobra de rebase, se logró captar el instante

en el que el automóvil paso por el punto ciego del conductor y el prototipo advirtió que

existía un automóvil en ese instante.


73

Figura 4-3-8. Momento en que el segundo vehículo rebaso al vehículo con el prototipo.

6.- La sexta prueba se realizó en Av. Montevideo (figura 4-3-9) para observar que a

velocidades altas, el sensor funcione sin problemas.

Figura 4-3-9. Av. Montevideo


74

Para esta prueba el automóvil piloto adquirió una velocidad promedio de 70 km/hr

(velocidad de eje) y el automóvil secundario rebasó tomando una velocidad de 90 km/hr

(figura 4-3-10), a esta velocidad el sensor continuó funcionando sin ningún problema,

logrando captar el instante en que el automóvil secundario rebaso.

Figura 4-3-10. Momento en que el automóvil secundario rebasa.

Después se realizó la misma prueba en periférico a las 10 de la noche para lograr

alcanzar velocidades más altas. El automóvil piloto tomó una velocidad de 100 km/hr y

el automóvil secundario rebaso a 110 km/hr (que, viene siendo, la velocidad de

carretera), el sensor funciono sin ningún problema, logrando captar el instante del

rebase.

4.5. Pruebas con osciloscopio

Se realizaron las pruebas del sensor con el osciloscopio para verificar que realmente el

pulso lo recibiera como en las hojas de especificaciones

Se observó su funcionamiento y el ancho del pulso al estar el objeto cerca o lejos.

Esta prueba ayudo a comprender el comportamiento del tren de pulsos que el sensor

emite.


75

Figura 4-4. Fotografía de la prueba realizada con el osciloscopio.

Se conectaron las puntas del osciloscopio a la entrada (echo) del sensor, logrando

observar en la pantalla del osciloscopio su ancho del pulso, que cambia de acuerdo a la

distancia que se encuentra el objeto; si este se encuentra lejos, el ancho del pulso

aumenta, y si el objeto se encuentra cerca, el ancho del pulso disminuye.

4.6. Resultados

Durante las pruebas se realizaron distintos cambios en el programa para lograr percibir

con el sensor más distancia, por ejemplo, se modificó la velocidad en los pulsos del

sensor, ya que al principio de las pruebas no se obtenía los resultados esperados,

debido a que el sensor tardaba demasiado tiempo en capturar la presencia de un

objeto, por tal motivo se realizó un ajuste en el programa para que fueran más rápidos

los pulsos.


76

En MATLAB se realizaron distintos cambios en la presentación de la gráfica, de modo

que al ir ajustando la gráfica a una escala real y dependiendo de la distancia el color de

la gráfica cambia, es decir, si se encuentra el objeto a un metro de distancia el color

será rojo, si se encuentra el objeto a 2 metros de distancia será anaranjado y si se

encuentra a una distancia de 3 metros o más el color de la gráfica es azul.

También, con estas pruebas se observó que no afecta el “efecto Doppler”, por lo

menos, a velocidades de 100 km/hr, a pesar de que el sensor no es de marca.

Otros resultados obtenidos es que, la implementación del sensor de temperatura

serviría para poder eliminar ese pequeño error de 4 cm, aunque realmente sin

necesidad del sensor el dispositivo sigue siendo tan confiable que podría o no

implementarse.


77

Conclusiones

Debido a la gran problemática actual en materia de accidentes vehiculares causados

por la mala focalización de objetos existentes desde la perspectiva del conductor; Se

creó un sistema que fuera capaz de detectar la presencia de objetos que estuvieran en

el punto ciego del conductor en un vehículo, con el único fin de reducir accidentes y por

ende salvar vidas.

El sistema propuesto en nuestro proyecto terminal explica detalladamente la

prevención de accidentes con dicho circuito.

El prototipo al ser lanzado al mercado tendría la ventaja de adaptarse a cualquier

vehículo, ya que el sensor es pequeño y por medio de una interfaz visual muy sencilla,

prevendría al conductor que existe un objeto en su punto ciego.

El principal propósito del proyecto es el de eliminar el punto ciego del conductor con

ayuda de los espejos y el sensor diseñado; se realizaron pruebas a velocidades reales

desde 30 a 100 km/hora y el sistema funcionó correctamente tomando en cuenta el

factor de la temperatura.

Este proyecto puede ser, en algún futuro, usado para lograr implementar más cosas

detalladas, como por ejemplo, quizá, que en cuanto detecte el sensor una presencia,

automáticamente frene el automóvil, se le puede anexar muchos implementos para

mejorar el prototipo.


78

Glosario

Algoritmo: En matemáticas, lógica, ciencias de la computación y disciplinas

relacionadas, un algoritmo es un conjunto prescrito de instrucciones o reglas bien

definidas, ordenadas y finitas que permite realizar una actividad mediante pasos

sucesivos que no generen dudas a quien deba realizar dicha actividad

Aparcar: Acción y efecto de estacionar o estacionarse.

Armónico En mecánica ondulatoria, un armónico es el resultado de una serie de

variaciones adecuadamente acomodadas en un rango o frecuencia de emisión,

denominado paquete de información o fundamental. Dichos paquetes configuran un

ciclo que, adecuadamente recibido, suministra a su receptor la información de cómo su

sistema puede ofrecer un orden capaz de dotar al medio en el cual expresa sus

propiedades de una armonía.

Display: Se llama visualizador, display en inglés, a un dispositivo de ciertos aparatos

electrónicos que permite mostrar información al usuario de manera visual.

Filtro: En los sistemas de comunicaciones se emplean filtros para dejar pasar solo las

frecuencias que contengan la información deseada y eliminar las restantes.

Fóvea: es el área de la retina donde se enfocan los rayos luminosos y se encuentra

especialmente capacitada para la visión del color.

Inducción electromagnética: es el fenómeno que origina la producción de una fuerza

electromotriz, en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien

en un medio móvil respecto a un campo magnético estático.

Kilo: (símbolo k, minúscula) es un prefijo del Sistema Internacional de Unidades que

indica un factor de 103.


79

Magnitud: Es una propiedad o cualidad medible de un sistema físico, es decir, a la que

se le pueden asignar distintos valores como resultado de una medición o una relación

de medidas.

Memoria EPROM: son las siglas de Erasable Programmable Read-Only Memory, es

un tipo de chip de memoria ROM no volátil.

Memoria RAM: memoria de solo lectura, es un medio de almacenamiento utilizado en

ordenadores y dispositivos electrónicos, que permite sólo la lectura de la información y

no su escritura, independientemente de la presencia o no de una fuente de energía.

Memoria volátil: contrario a memoria no volátil, es aquella memoria cuya información

se pierde al interrumpirse el flujo eléctrico.

Memoria no volátil: es un tipo de memoria que no necesita energía para perdurar.

Nano: (símbolo n) es un prefijo del Sistema Internacional de Unidades que indica un

factor de 10-9.

Retina: de los vertebrados es, un tejido sensible a la luz situado en la superficie interior

del ojo.

Sistema: (del latín systēma, proveniente del griego σύστημα) es un objeto complejo

cuyos componentes se relacionan con al menos algún otro componente; puede ser

material o conceptual. Todos los sistemas tienen composición, estructura y entorno,

pero sólo los sistemas materiales tienen mecanismo, y sólo algunos sistemas

materiales tienen figura (forma).


80

Anexo

ARDUINO UNO R3

Hojas de especificaciones:


81


82


83


84

IBLIOGRAFÍA

Tratamiento digital de señales

John G. Prockis y Dimitris G. Manolakis.

PEARSON EDUCACION S.A., Madrid, 2007 4 edición.

Física universitaria volumen1 decimosegunda edición

Young, Hugh D. y Roger A. Freedman

PEARSON EDUCACION, México, 2009.

Física para ciencias e ingeniería, Cuarta edición, volumen 1

Giancoli, Douglas C.

PEARSON EDUCACION, México 2008.

MATLAB una introducción con ejemplos prácticos

Amos Gilat

Reverté S.A., 2006 España.

MATLAB y sus aplicaciones en las ciencias y la ingeniería

César Pérez López

PEARSON EDUCACION, Madrid, 2002

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derechos.

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