wall e proyect
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PROYECTO WALL-E
Imaginamos y Creamos
Oscar Antonio Llanos Perdomo
Osdar Darío Ochoa Manjarres
Jorge Yovannis Oñate Rodríguez
Jaider Alberto Ortega
Kevin Saúl Silva Ortiz
INGENIERÍA ELECTRÓNICA Circuitos II Ing. Leticia Acosta Oñate UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR
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PARA EL LECTOR
En las siguientes páginas estaremos plasmando nuestro trabajo a la hora
de realizar el proyecto Wall-E, toda aquella persona que desee realizar
nuestra creación, lo podrá llevar a la realidad después de leer
detenidamente nuestro informe.
La razón de crearlo comienza cuando nosotros como estudiantes
decidimos traer a la vida a un personaje preferiblemente electrónico muy
conocido, que sea llamativo, dado el gran éxito de la película Wall-E y
que su personaje principal sea un robot muy melancólico, la idea de que
Wall-E estuviese caminando con nosotros no demoro mucho en salir a
flote.
Cuando la decisión fue tomada, los caminos por tomar eran amplios pero
a la vez muy pocos, por lo tanto cada fragmento de este proyecto fue
cuidadosamente estructurado.
Probablemente nuestra ambición por hacer proyectos que nos llevaran a
un nivel superior de conocimiento fue la principal motivación.
“El hombre se dedica a desear en voz alta aquello que jamás se esfuerza
en alcanzar”
Noel Clarasó.
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AGRADECIMIENTOS
Aunque fueron muchas las personas las que hicieron aportes importantes
en este proyecto, solo mencionaremos a algunas, seguramente nos
olvidaremos de otros que también merecen que sus nombres estén
escritos en esta página, las cuales espero que nos perdonen y no nos
guarden rencor para las próximas ocasiones.
En primer lugar queremos agradecerle a la ingeniera Leticia, por ser
nuestra tutora encargada, por apropiarse de lo que hacemos y por
apoyarnos moralmente en todo el camino. En especial cuando queríamos
desmayar y dejar todo sin terminar, a ella, el primer lugar en esta sesión
de agradecimientos.
Un párrafo aparte se merece el ingeniero Efraín, quien soportó largas
horas de asesorías y muchas llamadas inoportunas sin esperar nada a
cambio, hoy decimos que sin él no hubiera sido posible la elaboración de
este gran proyecto.
También agradecemos al señor Leonardo y a toda la familia Fandiño, por
toda su colaboración y atención en esos días de mucha necesidad.
Esperamos que a estos y a todos los no mencionados aquí que Dios les
devuelva multiplicado por 100 todo lo que nos han aportado para la
terminación del proyecto Wall-E.
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CONTENIDO
Capítulo 1.
Conceptos fundamentales
¿Qué es un robot? 6
Tipos de robots 7
Wall-E 10
Capítulo 2.
Componentes del robot Wall-E 12
Una mirada global a nuestro futuro robot 12
Listado de componentes fundamentales 13
Microcontrolador PIC 13
Motores y servomotores 14
Diodos LED´S 15
Capítulo 3.
Objetivos de nuestro robot Wall-E 17
Ensamble de estructuras 17
¿Cómo le damos movimiento a Wall-E? 21
Capítulo 4.
Radiofrecuencia 23
Codificación y decodificación de señales 23
Lenguaje de programación C y el compilador CCS para programar
microcontroladores PIC 25
Inversor de polaridad o puente H 25
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Control del robot 26
Capítulo 5.
Concepción, diseño y ensamble de los circuitos utilizados
Control remoto 27
Transmisor 27
Receptor 27
Puente H 28
Controlador de las señales 28
Apéndice A.
La electrónica 29
Componentes que utilizamos en nuestros circuitos 30
Herramientas fundamentales 33
Consejos para soldar 38
Hojas de especificaciones 39
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Capítulo 1.
Conceptos fundamentales
¿Qué es un robot?
Un robot es una entidad virtual o mecánica artificial. En la práctica, esto
es por lo general un sistema electromecánico que, por su apariencia o sus
movimientos, ofrece la sensación de tener un propósito propio. La
independencia creada en sus movimientos hace que sus acciones sean la
razón de un estudio razonable y profundo en el área de la ciencia y
tecnología. La palabra robot puede referirse tanto a mecanismos físicos
como a sistemas virtuales de software.
No hay un consenso sobre qué máquinas pueden ser consideradas
robots, pero sí existe un acuerdo general entre los expertos y el público
sobre que los robots tienden a hacer parte o todo lo que sigue: moverse,
hacer funcionar un brazo mecánico, sentir y manipular su entorno y
mostrar un comportamiento inteligente, especialmente si ese
comportamiento imita al de los humanos o a otros animales. Actualmente
podría considerarse que un robot es una computadora con la capacidad y
el propósito de movimiento que en general es capaz de desarrollar
múltiples tareas de manera flexible según su programación.
Aunque las historias sobre ayudantes y acompañantes artificiales, así
como los intentos de crearlos, tienen una larga historia, las máquinas
totalmente autónomas no aparecieron hasta el siglo XX. El primer robot
programable y dirigido de forma digital, el Unimate, fue instalado
en 1961 para levantar piezas calientes de metal de una máquina de tinte
y colocarlas.
Por lo general, la gente reacciona de forma positiva ante los robots con
los que se encuentra. Los robots domésticos para la limpieza y
mantenimiento del hogar son cada vez más comunes en los hogares
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Tipos de robots
A grandes rasgos se puede hablar de los siguientes:
Androides: Estos artilugios se parecen y actúan como si fueran seres
humanos. Este tipo de robots existen en la realidad con dificultad, pero
con el desarrollo de las tecnologías y las ciencias, se hace cada vez más
fácil verlos por lo menos por la televisión.
Móviles: Estos robots cuentan con orugas, ruedas o patas que les
permiten desplazarse de acuerdo a la programación a la que fueron
sometidos. Estos robots cuentan con sistemas de sensores, que son los
que captan la información que dichos robots elaboran. Los móviles son
utilizados en instalaciones industriales, en la mayoría de los casos para
transportar la mercadería en cadenas de producción así como también en
almacenes. Además, son herramientas muy útiles para investigar zonas
muy distantes o difíciles de acceder, es por eso que se los utiliza para
realizar exploraciones espaciales o submarinas.
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Industriales: Los robots de este tipo pueden ser electrónicos o mecánicos
y se los utiliza para la realización de los procesos de manipulación o
fabricación automáticos. También se les llama robots industriales a
aquellos electrodomésticos que realizan simultáneamente distintas
operaciones.
Médicos: Bajo esta categoría se incluyen básicamente las prótesis para
disminuidos físicos. Estas cuentan con sistemas de mando y se adaptan
fácilmente al cuerpo. Estos robots lo que hacen es suplantar a aquellos
órganos o extremidades, realizando sus funciones y movimientos.
Además existen robots médicos destinados a la realización de
intervenciones quirúrgicas.
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Teleoperadores: Estos robots son controlados de manera remota por un
operador humano. A estos artilugios se los utiliza en situaciones extremas
como la desactivación de una bomba o bien, para manipular residuos
tóxicos.
De acuerdo a su arquitectura, los robots pueden clasificarse en:
Poliarticulados: Si bien estos pueden tener de diversas configuraciones,
lo que tienen en común estos robots es que son sedentarios. Estos son
diseñados para mover sus terminales con limitada libertad y de acuerdo a
ciertos sistemas de coordenadas. Estos robots son ideales para cuando se
precisa abarcar una amplia zona de trabajo.
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Zoomórficos: La locomoción de estos robots imita a la de distintos
animales y se los puede dividir en caminadores y no caminadores. Estos
últimos están aún muy poco desarrollados mientras que los caminadores
sí lo están y resultan útiles para la exploración volcánica y espacial.
Wall-E
Siguiendo el guión de la película, el año es 2700, Wall-E cuenta la
historia del último pequeño robot en la Tierra. Wall-E es un robot que fue
programado para limpiar zonas. A causa de un gigante consumismo la
Tierra está cubierta de basura. Para limpiar el planeta, todo el mundo
tuvo que abandonarlo e irse a vivir a una estación espacial: Axioma. El
problema surge cuando se le encarga a una inepta empresa: Buy n
Large, la misión de limpiar el planeta. Buy n Large envía millones de
robots, quienes supuestamente convertirán nuevamente a la Tierra en un
planeta habitable.
Waste Allocation Load Lifters – Earth Class = W.A.L.L.E
El programa de limpieza falla. Todos los robots fallan, con el tiempo cada
uno fue descomponiéndose, con la excepción de uno solo. Wall-E está
solo en su misión y cada día limpia la Tierra tal y como fue programado
sin importar que este solo y que ahora su tarea es gigante e imposible.
Quizás es una de las razones por la cual parece tener sentimientos, casi
700 años limpiando la tierra con su fiel cucaracha.
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Capítulo 2.
Componentes del robot Wall-E
-Cabeza, realmente es casi su totalidad, debido a que por medio de ella
expresa sus “sentimientos” de robot y por tanto es necesario hacerla lo
más real posible.
-Cuerpo, es simplemente su estructura como tal su función principal sería
sostenerse él mismo.
-Brazos, los brazos obviamente son parte fundamental y es una parte
muy mecánica.
-Orugas, el movimiento completamente depende de éstas, y es necesario
que sean de tipo Oruga.
Una mirada global a nuestro futuro robot
En este capítulo, presentaremos los materiales que hemos decidido
utilizar para nuestra primera creación, y justificaremos la elección que
hemos realizado.
Veremos el tipo de motores que vamos a utilizar.
Para esto podremos desarmar algún equipo electrónico antiguo, como
disqueteras, impresoras, etcétera. Luego, haremos lo mismo con los
sensores, siempre con el objetivo de gastar la menor cantidad de dinero
posible en nuestro primer proyecto (¡Luego vendrán proyectos
multimillonarios!).
Y por último, echaremos una mirada sobre el material que podemos
utilizar para la construcción del cuerpo de nuestro robot, que obviamente
lleva sus otros componentes tales como la cabeza y los brazos, ahora
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bien, será necesario determinar algunos materiales, pero ellos pueden
ser reemplazados por alguno otro por si se te ocurre uno mejor.
Listado de componentes fundamentales
- Microcontrolador PIC16F628A
- Módulo de Radio Frecuencia, Transmisor y Receptor
- Diodo
- Resistor
- Capacitor
- Diodo LED
- Motores, Servomotores, Motoreductores, etc.
- Transistor
- LM7805
Microcontrolador PIC
Los PIC son una familia de microcontroladores tipo RISC fabricados
por Microchip Technology Inc. y derivados del PIC1650, originalmente
desarrollado por la división de microelectrónica de General Instrument.
El nombre actual no es un acrónimo. En realidad, el nombre completo
es PICmicro, aunque generalmente se utiliza como Peripherial Interface
Controller (controlador de interfaz periférico).
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El PIC original se diseñó para ser usado con la nueva CPU de
16 bits CP16000. Siendo en general una buena CPU, ésta tenía malas
prestaciones de entrada y salida, y el PIC de 8 bits se desarrolló en 1975
para mejorar el rendimiento del sistema quitando peso de E/S a la CPU.
El PIC utilizaba microcódigo simple almacenado en ROM para realizar
estas tareas; y aunque el término no se usaba por aquel entonces, se
trata de un diseño RISC que ejecuta una instrucción cada 4 ciclos del
oscilador.
Motores y servomotores
- El motor eléctrico es aquel motor que transforma la energía
eléctrica en energía mecánica, por medio de la repulsión que
presenta un objeto metálico cargado eléctricamente ante un imán
permanente. Son máquinas eléctricas rotatorias.
Algunos de los motores eléctricos son reversibles, ya que pueden
transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando
como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en
locomotoras o en automóviles híbridos realizan a menudo ambas
tareas, si se los equipa con frenos regenerativos.
Son muy utilizados en instalaciones industriales, comerciales y
particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro
eléctrico o a baterías. Así, en automóviles se están empezando a
utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de
ambos.
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- Un servomotor (también llamado servo) es un dispositivo similar a
un motor de corriente continua que tiene la capacidad de ubicarse
en cualquier posición dentro de su rango de operación, y
mantenerse estable en dicha posición.
Un servomotor es un motor eléctrico que consta con la capacidad
de ser controlado, tanto en velocidad como en posición.
Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radio control y
en robótica, pero su uso no está limitado a éstos. Es posible
modificar un servomotor para obtener un motor de corriente
continua que, si bien ya no tiene la capacidad de control del servo,
conserva la fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos
dispositivos.
Diodos LED´S
Led se refiere a un componente optoelectrónico pasivo, más
concretamente, un diodo que emite luz.
La palabra española «led» proviene del acrónimo inglés LED (Light-
Emitting Diode: ‘diodo emisor de luz’).
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Los ledes se usan como indicadores en muchos dispositivos y
en iluminación. Los primeros ledes emitían luz roja de baja intensidad,
pero los dispositivos actuales emiten luz de alto brillo en
el espectro infrarrojo, visible y ultravioleta.
Debido a sus altas frecuencias de operación son también útiles en
tecnologías avanzadas de comunicaciones.
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Capítulo 3.
Objetivos de nuestro robot Wall-E
Los objetivos son puramente de propósitos académicos ya que su
verdadero uso es reciclar basura de manera completamente autónoma y
por ahora no es nuestro objetivo principal.
Queremos no sólo demostrar que cualquier proyecto es posible para
cualquiera que se lo proponga sino también obtener conocimientos más
amplios mientras se realizan los trabajos necesarios.
Wall-E es un proyecto ambicioso dependiendo de qué punto de vista lo
veamos, en nuestro caso como estudiantes de Ingeniería Electrónica es un
proyecto bastante completo y creativo.
Ensamble de estructuras
Las estructuras de las que hablamos en este ítem son la parte “física” del
robot, es decir la que hará que se parezca a Wall-E y estas estructuras
son una caja para el cuerpo, prismas para los brazos, y una forma única
de la cabeza.
Para la cabeza:
Analizando cómo crear esta compleja forma decidimos buscar ayuda,
contamos con la suerte de que nuestro amigo Yair Herrera nos facilitó un
pdf el cual contenía imágenes que nos permitieron moldear la cabeza del
mismo al estilo origami.
A continuación se explicarán los pasos para armar la cabeza:
Paso 1 – Imprimir la imagen acorde al tamaño deseado
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Paso 2 – Recortar el molde de la cabeza
Paso 3 – Doblar adecuadamente el molde
Paso 4 – Antes de pegarlo le damos firmeza con pedazos de cartón
prensado por dentro de ella
Para el cuerpo:
Cortamos 6 rectángulos de cartón prensado con medidas de:
Dos láminas de 26x27cm (Frontal y Trasera)
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Dos láminas de 25x27cm (Arriba y abajo)
Dos láminas de 25x26cm (Laterales)
Luego las unimos entre ellas reforzándolas formando un prisma
rectangular.
Una vez teníamos la caja completamente terminada, el siguiente paso fue
darle el color de Wall-E, ahora bien, como pintar esto manualmente se
tornó tedioso recurrimos a la magia de la impresión.
Imprimimos las siguientes imágenes:
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Cuando tenemos las imágenes impresas en el material deseado, las
pegamos a la caja. Y quedará algo como esto:
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Para los brazos:
Hemos utilizado cartón prensado y de la misma manera que hicimos la
caja, formamos los brazos con las medidas de 20cm de largo 3cm de
ancho y 4cm de alto.
Pintamos de acuerdo a los colores de Wall-E, las manos se hicieron
también con cartón prensado, solo que esta vez se cortaron con la forma
como se muestra en la imagen:
Los detalles de las manos las dejamos al gusto del lector.
¿Cómo le damos movimiento a Wall-E?
Para el movimiento de la cabeza y cuello utilizamos un servomotor que
está fijo a el cuerpo de Wall-E, a este servo se le conecta otro servo y
entonces un servo mueve de arriba a abajo y el que está conectado de
último mueve la cabeza de lado a lado, para evitar trabajar con PWM que
es la forma de óptima de controlarlo, fue necesario modificarlo, ésta
modificación se hizo destapando el servomotor y removiendo el circuito
que el contiene, y luego soldamos un par de cables a los terminales del
motor interno.
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Para cada brazo se utilizaron también servomotores los cuales le
extraemos su tope para que gire 360°.
Para el movimiento de las orugas se necesitaron un par de cadenas de
motocicleta con sus respectivos piñones, unimos los motoreductores al
piñón más grande, entre los piñones pequeños utilizamos una varilla
metálica para unirlos y darles firmeza, con ayuda de un mecánico hicimos
una base que cumple la función de unir ambas orugas y motores, y
obviamente también es la base del cuerpo.
Para hacer las orugas unidas a las cadenas cortamos llantas de carro de
nylon de 3x11 y para poder unirlas a las cadenas, a ellas se les
removieron los ejes de unión diente de por medio, y en este orificio les
enroscamos tornillos con tuerca y una zapata para unirlo a los ya
cortados pedazos de llanta.
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Capítulo 4.
Radiofrecuencia
El término radiofrecuencia, también denominado espectro de
radiofrecuencia o RF, se aplica a la porción menos energética
del espectro electromagnético, situada entre unos 3 kHz y unos 300 GHz.
El hercio es la unidad de medida de la frecuencia de las ondas, y
corresponde a un ciclo por segundo. Las ondas electromagnéticas de esta
región del espectro, se pueden transmitir aplicando la corriente
alterna originada en un generador a una antena.
Aunque se emplea la palabra radio, las transmisiones
de televisión, radio, radar y telefonía móvil están incluidas en esta clase
de emisiones de radiofrecuencia. Otros usos son audio, vídeo,
radionavegación, servicios de emergencia y transmisión de datos por
radio digital; tanto en el ámbito civil como militar. También son usadas
por los radioaficionados.
Codificación y decodificación de señales
La Teoría de la Comunicación conoce como código al conjunto de signos
que deben ser compartidos por el emisor y el receptor de un mensaje
para que éste sea comprendido. Si un hombre habla en francés a otra
persona que no conoce dicho idioma, la comunicación no será posible ya
que el código utilizado para la transmisión del mensaje no es conocido
por ambos.
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Se entiende por Codificación en el contexto de la Ingeniería al proceso de
conversión de un sistema de datos de origen a otro sistema de datos de
destino. De ello se desprende como corolario que la información
contenida en esos datos resultantes deberá ser equivalente a la
información de origen. Un modo sencillo de entender el concepto es
aplicar el paradigma de la traducción entre idiomas en el ejemplo
siguiente: home = hogar. Podemos entender que hemos cambiado una
información de un sistema (inglés) a otro sistema (español) y que
esencialmente la información sigue siendo la misma. En el ejemplo
anterior para hacer entendible a una audiencia hispana un texto
redactado en inglés es convertido al español.
En ese contexto la codificación digital consiste en la traducción de los
valores de tensión eléctrica analógicos que ya han sido cuantificados
(ponderados) al sistema binario, mediante códigos preestablecidos.
La señal analógica va a quedar transformada en un tren de
impulsos de señal digital (sucesión de ceros y unos). Esta traducción es el
último de los procesos que tiene lugar durante la conversión analógica-
digital. El resultado es un sistema binario que está basado en el álgebra
de Boole.
Un decodificador es un circuito combinacional, cuya función es inversa a
la del codificador, esto es, convierte un código binario de entrada
(natural, BCD, etc.) de N bits de entrada y M líneas de salida (N puede
ser cualquier entero y M es un entero menor o igual a 2N), tales que cada
línea de salida será activada para una sola de las combinaciones posibles
de entrada. Estos circuitos, normalmente, se suelen encontrar
como decodificador /demultiplexor. Esto es debido a que un
demultiplexor puede comportarse como un decodificador.
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Lenguaje de programación C y el compilador CCS para programar
microcontroladores PIC
C es un lenguaje de programación creado en 1972 por Dennis M.
Ritchie en los Laboratorios Bell como evolución del anterior lenguaje B, a
su vez basado en BCPL.
Al igual que B, es un lenguaje orientado a la implementación de Sistemas
Operativos, concretamente Unix. C es apreciado por la eficiencia del
código que produce y es el lenguaje de programación más popular para
crear software de sistemas, aunque también se utiliza para crear
aplicaciones.
Se trata de un lenguaje de tipos de datos estáticos, débilmente tipificado,
de medio nivel pero con muchas características de bajo nivel. Dispone de
las estructuras típicas de los lenguajes de alto nivel pero, a su vez,
dispone de construcciones del lenguaje que permiten un control a
muy bajo nivel. Los compiladores suelen ofrecer extensiones al lenguaje
que posibilitan mezclar código en ensamblador con código C o acceder
directamente a memoria o dispositivos periféricos.
Inversor de polaridad o puente H
Un Puente H o Puente en H es un circuito electrónico que permite a
un motor eléctrico DC girar en ambos sentidos, avance y retroceso. Son
ampliamente usados en robótica y como convertidores de potencia. Los
puentes H están disponibles como circuitos integrados, pero también
pueden construirse a partir de componentes discretos.
Como hemos dicho el puente H se usa para invertir el giro de un motor,
pero también puede usarse para frenarlo (de manera brusca), al hacer un
corto entre las bornas del motor, o incluso puede usarse para permitir
que el motor frene bajo su propia inercia, cuando desconectamos el
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motor de la fuente que lo alimenta. En el siguiente cuadro se resumen las
diferentes acciones.
Control del robot
Debido a que el módulo RF que compramos solo tenía 4 salidas, y
nosotros necesitábamos por lo menos 8 salidas para controlar cada uno
de los motores de movimiento detallados anteriormente, para esto fue
necesario recurrir a un sistema digital para la multiplicación de las 4
señales, la necesidad de las 8 salidas pudo ser concretada con
compuertas lógicas pero para evitar dificultades investigamos un poco
acerca de programar PIC y fue puesto en práctica para hacerlo funcionar.
El código consiste en configurar los pines A0, A1, A2, A3 del
Microcontrolador PIC16F628A configurarlos como entradas los cuales
recibirán los pulsos del receptor y dependiendo de la entrada se
configura para que en el puerto B haya una salida de corriente acorde a
nuestras necesidades. Se encuentra adjunto en la carpeta “Archivos”.
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Capítulo 5.
Concepción, diseño y ensamble de los circuitos utilizados
A continuación daremos una muy breve explicación del funcionamiento
de cada circuito como tal, y sus componentes principales.
Los esquemáticos, rutas, hojas de especificaciones y más, se encuentran
en la carpeta “Archivos” que está en el CD.
Control remoto
- Transmisor
Los elementos importantes del transmisor son: un módulo transmisor (“”),
Deep Switch para aplicar la teoría de la multiplexación, Circuito Integrado
PT2262 que sería el codificador del transmisor, y obviamente elementos
extras.
Ahora bien, con la teoría vista en clases pudimos utilizar diodos en
beneficio de las salidas, ósea que al presionar un pulsador pueda enviar
dos pulsos al transmisor.
Como la corriente necesaria para que esto funcionase, era un poco más
alta de lo que realmente nos ofrecen los módulos, fue necesario hacer un
pequeño circuito amplificador que se basa en transistores.
La función principal del transmisor es enviar datos para el receptor por
medio de la radiofrecuencia.
- Receptor
Para el receptor se utilizo, el módulo receptor, Circuito Integrado PT2272
que en este caso es el decodificador.
El receptor no fue adaptarlo mucho debido a que su función principal es
recibir, el trabajo difícil está en el transmisor, lo que si recomendamos es
utilizar baterías tal y como especificamos en las simulaciones.
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Puente H
El puente H que utilizamos consta de Relés, que básicamente es un
interruptor que permite o inhibe el paso de la corriente de acuerdo a su
conexión, en este caso se usó para que cuando le llegue un pulso, deje
pasar corriente a uno de los motores, y se utilizan 4 para que sea de la
forma: Pulso 1 – Adelante, Pulso 2 – Atrás, y así sucesivamente.
Controlador de las señales
El controlador de señales es más que todo el PIC haciendo su trabajo,
todo está en la programación por lo tanto del control de señales lo
necesario está en el código y el esquemático.
Nos tomamos el pequeño trabajo de hacer una tabla para cada señal de
entrada y salida del PIC que se encuentra en la carpeta de “Archivos”.
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Apéndice A.
La electrónica
Motor del siglo XX, la electrónica ha jugado un papel fundamental en las
características actuales del mundo en el que vivimos. Todo lo que nos
rodea está compuesto en algún punto por componentes electrónicos:
automóviles, aviones, computadoras, juguetes, televisores, reproductores
de mp3, etcétera. Y cada día que pasa, gracias a las maravillas de la
evolución tecnológica, la electrónica se vuelve más pequeña, más robusta
y más económica. Probablemente, en algún momento de nuestras vidas
sentimos curiosidad por este tema y nos adentramos en él con alguna
revista, algún kit específico o por qué no, mediante estudios formales.
Para aquellos que nos hemos acercado porque lo teníamos como un
simple hobby, la aparición de los integrados nos ha facilitado aún más la
tarea. Muchas veces, cuando necesitamos algo, en lugar de tener que
diseñarlo, basta con buscar en los catálogos un integrado que cumpla esa
función. Basta un ejemplo: un grupo de alumnos había desarrollado un
órgano electrónico controlado desde el puerto paralelo de una PC.
Cuando le presentaron el proyecto al profesor, con decenas de
transistores, resistencias, diodos y otros componentes, el docente los
felicitó porque el trabajo era muy interesante. Y luego de charlar con
ellos les dijo que no quería que gastaran ni dinero ni tiempo demás. Que
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todo lo que habían desarrollado se podía resolver con un integrado.
Todo, menos un conjunto de ledes, quedaba encapsulado en un
integrado específico. Como dirían los programadores de objetos, todo
está hecho, sólo hay que encontrar las piezas y ensamblarlas. Este
apéndice tiene como objetivo aclarar algunos conceptos de electrónica
básica y dar algunas recetas primitivas que seguramente nos ahorrarán
muchos dolores de cabeza. Todo lector que alguna vez haya construido
un circuito ya ha pasado por esto, y no creemos que su lectura pueda
aportarle nada nuevo. Pero si es la primera vez que vamos a hacer una
soldadura, este apéndice será una tabla de salvación.
Componentes que utilizamos en nuestros circuitos
A continuación vamos a describir los componentes pasivos y activos más
importantes que hemos utilizado en nuestros circuitos. Llamamos
componentes activos a aquellos que proporcionan excitación eléctrica,
ganancia o control. Esencialmente, son los generadores eléctricos, los
diodos y ciertos semiconductores. En contraposición, los pasivos son los
que no generan intensidad ni tensión en nuestro circuito, como los
cables, las resistencias, los interruptores, los capacitores, los
transformadores, etcétera. Veamos qué función cumplen algunos
componentes que hemos utilizado.
Resistencia:
Es un componente pasivo que ubicamos en el paso de una corriente y
que se opone a que ésta circule. Se representan con la letra R y su valor
se mide en Ohms o en sus múltiplos, KiloOhms (1 KΩ = 1000 Ω) o
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MegaOhms (1 MΩ = 1000 KΩ). Hay una gran variedad de tipos de
resistencias y de valores posibles.
Capacitor (Condensador):
Es un componente que almacena energía en forma de campo eléctrico.
Está formado por dos placas metálicas separadas por un aislante
conocido como dieléctrico. La unidad de medida de su capacidad es el
Faradio (F) y sus submúltiplos, como el MiliFaradio (1 mF = 1 F/1.000), el
MicroFaradio (1 uF = 1F / 1.000.000 = 10-6F), el NanoFaradio (1nF =
10-9F) y el PicoFaradio (1 pF = 10-12F). Además de su capacidad, otra
característica fundamental es la máxima tensión que soporta. Nunca
debemos conectar un capacitor a un voltaje superior porque puede
explotar. En los capacitores también encontramos fijos y variables. Con
respecto a los fijos, la diferencia entre ellos depende del dieléctrico que
utilizan. No vamos a entrar en detalles, pero las características que
difieren entre ellos por el tipo de dieléctrico son esencialmente la
capacidad, la fuga, la resistencia a los cambios de voltaje y la robustez.
En particular, los capacitores electrolíticos son polarizados, y hay que
tener en cuenta cómo los conectamos (dónde ponemos el positivo y
dónde el negativo) porque una conexión invertida los puede hacer
explotar (tienen una válvula de seguridad que los hace bullir en lugar de
explotar, con esa imagen tan característica de un capacitor al que se le
ha salido la tapa de la cabeza). Entre los capacitores variables podemos
encontrar los giratorios, que se utilizan mucho en la sintonía de radios, y
los trimmers, que permiten un ajuste muy fino.
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Transistor:
El transistor es un componente semiconductor activo que se puede utilizar
como amplificador, oscilador, rectificador o conmutador. Lo podemos
encontrar en prácticamente el 100% de los productos electrónicos que
nos rodean. Fue creado en los laboratorios de Bell en 1947 como
reemplazo del tríodo (una válvula de tres patas con las mismas funciones
pero con los problemas que ya vimos que presenta ese componente). El
más común (y que nosotros usamos en nuestros circuitos) tiene tres
patitas, que se conocen como emisor, colector y base. En forma
simplificada, la corriente que aplicamos en el colector sale amplificada en
el emisor si es que la base recibe corriente continua. Es más, la corriente
que sale por el emisor puede ser regulada por la corriente que ingresa
por la base. Estos transistores, que se conocen como bipolares, son los
más comunes y los podemos encontrar en dos variantes: NPN y PNP. La
diferencia entre estos dos modelos es la polaridad de sus electrodos. En
el primer caso, la base va a positivo y el emisor a negativo, y es al revés
en el otro caso. Además, en NPN, el colector debe ser más positivo que la
base y en PNP, más negativo. La aparición del transistor fue un salto muy
significativo para la electrónica digital, en reemplazo de las válvulas de
vacío y el surgimiento de aparatos electrónicos de menor tamaño, costo y
temperatura. Luego, con el surgimiento de los integrados, estas
características se acentuaron aún más.
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Circuitos integrados:
Como bien dice su nombre, es un circuito plasmado en una pequeña
pastilla de silicio con miles o millones de componentes, principalmente
diodos y transistores. Como ejemplo tenemos los microprocesadores, las
memorias, los amplificadores, los osciladores, etcétera. A pesar de que
existe un conjunto de barreras físicas a la reducción de tamaño de los
integrados, día a día se mejoran los materiales y las técnicas de
fabricación, lo que permite el crecimiento del número de componentes
del circuito. Su inventor, Jack Kilby, recibió el premio Nobel en el año
2000, 42 años después de la aparición de su invento.
Herramientas fundamentales
Ahora que ya hemos visto los componentes más significativos de nuestro
proyecto, presentaremos una lista de las herramientas que consideramos
imprescindibles para armar nuestro pequeño taller de electrónica y así
llevar a nuestros primeros robots a buen puerto.
Estaño: Recomendamos el que tiene almas de resina, en forma de
alambre, de 0,8 mm de grosor, 60% de estaño y 40% de plomo. Como
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seguramente lo usaremos en gran cantidad, es mejor comprar un rollo
que nos durará largo tiempo.
Soldador: Nos va a alcanzar con un soldador de 35 a 40 W con una
punta de 2 a 3 mm. El tipo de soldador más económico es el de lápiz,
que es suficiente para nuestras primeras experiencias. El único problema
que tiene es que tarda en levantar temperatura, pero sólo nos consumirá
un poquito de paciencia.
Soporte de soldador: Si no queremos dejar marcas en todas las mesas
sobre las que trabajemos, el soporte de soldador nos permitirá dejarlo en
funcionamiento sin quemar la superficie donde lo apoyemos. No es
imprescindible, pero seguro será más caro hacer una restauración de la
mesa.
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Desoldador: Es un succionador de estaño que nos permite, en forma
sencilla cuando queremos corregir o desoldar un componente, aspirar
rápidamente el estaño cuando se ablanda. En nuestros primeros fracasos
cuando soldemos, se convertirá en un aliado fundamental.
Morsita o pinzas para manos libres: Cuando tenemos que soldar
necesitamos que las partes estén en una posición cómoda. Con alguno
de estos implementos podemos ubicarlas en el aire y sin contactos
molestos.
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Pinzas y alicates: Permiten tomar objetos para manipularlos con
precisión, doblar las patitas de los componentes, cortar y pelar cables,
etcétera.
Destornilladores: Planos y philips, nos permitirán ajustar
potenciómetros variables, borneras, separar integrados de sus zócalos,
etcétera.
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Tester: Pieza fundamental de nuestro taller, nos permitirá medir la
continuidad, la resistencia, la corriente y la tensión de nuestro circuito.
Por último, recomendamos buscar un lugar cómodo para poder trabajar,
donde podamos dejar nuestro proyecto a medio terminar sin tener que
guardarlo y sacarlo cada vez. Es necesario que seamos ordenados con
nuestros componentes, y para ello podemos utilizar diversas cajitas que
nos permitan clasificar los elementos para encontrarlos con rapidez
cuando los necesitemos. Tener todos los componentes en un frasco nos
hará perder mucho tiempo.
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Consejos para soldar
Para finalizar este apéndice, daremos algunos consejos útiles para soldar,
dado que todo error que cometamos en este punto hará que detectar
dónde se produce la falla sea mucho más complicado. Además, una
soldadura mal hecha puede ocasionar problemas en el circuito en un
momento inesperado. Uno de los errores más habituales es el de la
soldadura fría, que ocurre cuando no aplicamos el calor en forma
correcta y el estaño está soldado en forma parcial y muy débil. Para
evitarlo, debemos usar un soldador con la potencia adecuada para el tipo
de estaño que utilicemos. También el estaño debe ser el adecuado para
las uniones que realicemos. Todas las superficies que unamos deben
estar limpias, igual que la punta del soldador. Cuando aplicamos el
estaño, lo debemos hacer sobre la superficie calentada y no sobre la
punta del soldador. Una característica que podemos usar para verificar la
calidad de nuestra soldadura es su color: si su acabado es brillante, es un
buen signo. La unión mate nos indica una posible soldadura fría. Otro
problema habitual es creer que el estaño nos servirá no sólo para la
conducción sino también para el sostén mecánico de la unión. Esto no es
así. Es fácil de comprobar al ver cómo se comporta el material cuando lo
tenemos en el rollo: es blando y muy maleable. Por lo tanto, la unión
mecánica entre los componentes debe estar dada por otros aspectos de la
conexión. El estaño sólo sirve para unir de forma eléctrica, pero no de
forma mecánica.
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Hojas de especificaciones (Data Sheet)
- http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/40044f.pdf
Microcontrolador PIC16F628A
- https://www.sparkfun.com/datasheets/Components/LM7805.pdf
Regulador LM7805
- http://www.diodes.com/datasheets/ds28002.pdf
Diodo
- http://www.alldatasheet.com/datasheet-
pdf/pdf/212875/DBLECTRO/SM1A100KC.html
Capacitor
- http://www.casadelled.com.ar/B333Series1.pdf
Diodo LED
- http://www.alldatasheet.com/datasheet-
pdf/pdf/15067/PHILIPS/2N2222.html
Transistor