Análisis de elementos constitutivos del bastón electrónico
2.1 Tipos de sensores ultrasónicos
Los sensores de ultrasonidos o ultrasónicos son detectores de proximidad que trabajan libres de roces mecánicos y detectan objetos a distancias de hasta 8m. El sensor emite pulsos ultrasónicos. Estos reflejan en un objeto, el sensor recibe el eco producido y lo convierte en señales eléctricas, las cuales son elaboradas en el aparato de valoración. Estos sensores trabajan solamente en el aire, y pueden detectar objetos con diferentes formas, colores, superficies y de diferentes materiales.
Los materiales pueden ser sólidos, líquidos o polvorientos, sin embargo han de ser deflectores de sonido. Los sensores trabajan según el tiempo de transcurso del eco, es decir, se valora la distancia temporal entre el impulso de emisión y el impulso del eco.
Fig.10 Diagrama funcionamiento básico del sensor ultrasónico.
En el mercado existe una significativa variedad de sensores ultrasónicos, y se establecen sus distinciones de acuerdo a su función. Por ejemplo:
a) Por Detección Directa b) Mediante Barrera c) Por Reflexión
Los sensores de proximidad ultrasónicos generalmente están disponibles en forma de sensores de reflexión directa, donde el emisor y el receptor se hallan en un mismo cuerpo. Por otro lado, se dispone de barreras ultrasónicas, que tienen el emisor y el receptor en cuerpos separados.
2.2 Ventajas y Desventajas de los Sensores ultrasónicos Se pueden citar las siguientes ventajas:
Rango de detección relativamente amplio (hasta varios metros).
Detección del objeto independientemente del material y del color detección segura de objetos transparentes (por ejemplo, botellas de vidrio).
Relativamente insensibles a la suciedad y el polvo. Posibilidad de desvanecimiento gradual del fondo.
Posibilidad de aplicaciones al aire libre y detección sin contacto con puntos de conmutación de precisión variable.
La zona de detección puede dividirse a voluntad. Se dispone de versiones programables.
Los sensores de proximidad ultrasónicos tienen las siguientes desventajas:
Si se utilizan sensores de proximidad ultrasónicos para superficies inclinadas, el sonido se desvía. Por ello, es importante que la superficie del objeto a reflejar esté dispuesta perpendicularmente al eje de propagación del sonido, o bien, que se utilicen barreras ultrasónicas.
Los sensores de proximidad ultrasónicos reaccionan con relativa lentitud. La frecuencia de conmutación máxima está entre 1 y 125 Hz.
Los sensores de proximidad ultrasónicos son generalmente más caros que los sensores de proximidad ópticos (casi el doble de precio).
Pueden sufrir interferencias de otros dispositivos que manejen frecuencias similares.
2.3 Elección de sensor ultrasónico
En el presente trabajo se ha seleccionado el transductor HC-SR04 porque es muy económico y fácil de programar, las especificaciones técnicas se describen a continuación:
Fig.11 Sensor ultrasónico HC-SR04
Está formado por un emisor y un receptor. La manera en que funciona es que para medir la distancia con el HC-SR04 hay que generar un pulso en la terminal Trigger (disparo) de un ancho o tiempo de 10µs como mínimo. Al mismo tiempo hay que monitorizar la señal que llega a la terminal del Echo (eco). De esta manera se puede obtener la distancia a la que se encuentra algún objeto del sensor. Por medio de la formula:
D
objeto= (V
sonido en el medio) ( T
en recibir el eco del primer frente de onda)
Fórmula para obtener la distancia con el transductorEste transductor varía su corriente a la salida dependiendo de la distancia a la que se encuentre el objeto, puede medir distancias desde 2cm hasta 500cm teniendo valores a su salida desde 4-20mA.
Fig.13 Circuito para la caracterización del sensor
Para caracterizar al transductor se investigo que su salida la aloja en corriente (mA), y lo que se propone para asegurar su voltaje de 5v (de las hojas de especificaciones que proporciona el fabricante) es colocar un resistor a la salida del transductor y a tierra del mismo, para así medir el voltaje.
El cual cambia de acuerdo a la variación de la distancia, el resistor a conectar es de un valor de 330 , se elige este valor para que el voltaje a la salida este dentro de un rango de .5 V y 5V.
V=RI… (1)
Sustituyendo valores se dice que: V= (330 ) (15mA)… (2)
V= 4.95 v ≈ 5v… (3)
Para poder realizar las mediciones de las variaciones del voltaje de acuerdo a la distancia, se coloca un objeto a una distancia de 2cm de la parte frontal del emisor y receptor, se mide el voltaje que se tiene a la salida para esa distancia, se aleja el objeto por intervalos de distancia y se mide la distancia y el voltaje correspondiente.
Fig.14 Vista frontal y trasera del transductor HC-SR04
2.4 Descripción general del sistema
El bastón está diseñado para brindar una ayuda a los niños invidentes y de baja visión que les sirve para desarrollar todas las áreas de su cuerpo y de su mente dándoles oportunidades planeadas de experimentar y explorar diferentes cosas y de jugar con varios objetos a la vez. El bastón se considera una extensión de su cuerpo que permite el contacto con el entorno cotidiano.
El bastón es capaz de identificar a 500cm de distancia del niño al obstáculo que se encuentra en su andar, por medio de un sistema de audio que emite un mensaje breve, comunicando si existen barreras para continuar o no caminando, esto le permite al niño poner en alerta a su cuerpo y actuar con mayor seguridad al percibir un mejor panorama de lo que existe en su entorno, ya que esta experiencia le deja la oportunidad de relacionarse mejor con la gente y con las cosas que lo rodean, más rápido y sin desesperarse .
Es de fácil uso, ligero y resistente no tiene complejidad alguna puesto que su diseño está pensado para niños, es innovador en comparación con los demás bastones que existen en el mundo, ya que no existen bastones diseñados para el sector infantil invidente y de baja visión. La ceguera es uno de los deterioros más incompetentes del ser humano y un serio problema de salud pública. En la actualidad existe en México una deficiencia de información concerniente a las causas principales de la ceguera, lo que dificulta el diseño de programas de evaluación y de prevención de la misma. Sin embargo se considera que una causa es la pobreza, debido a los pocos recursos tecnológicos asignados a hospitales especializados en la ceguera, lo que impide a los médicos y personal de salud a operar e indicar tratamientos específicos que lograrían mejorar su deficiencia, por lo que el bastón favorece a una parte del desarrollo y crecimiento de los niños invidentes o de baja visión.
Es importante la aportación que se hace con este sistema, ya que se considera que el futuro de nuestro país es la población infantil, de esta forma se les brinda la oportunidad de tener una mejor calidad de vida. Cuando exista una real conciencia hacia la gente invidente, y se convierta a nuestras comunidades en lugares donde los niños ciegos puedan desarrollarse plenamente, se mejora la vida de todos.
2.5 Diagrama a bloques del sistema ultrasónico
Fig.15 Diagrama a Bloques del Bastón
En la primera etapa, el sistema ultrasónico con el que opera el bastón es diseñado con un sensor ultrasónico, el cual funciona bajo el principio del sonar que determina la recepción y transmisión del sonido. En la segunda etapa se emplea un Microcontrolador que va a realiza la comunicación con el transductor ultrasónico y el ISD.
En la tercera etapa del sistema, el circuito integrado ISD convierte la señal analógica a digital, también cuenta con la característica de ser un Microcontrolador, en el cual se va almacenar una dirección programable, previamente enviada por el sensor, en este caso el tipo de señal a utilizar es la de audio, el desplegado final será por medio de unos audífonos de esta manera el niño podrá escuchar el comando de voz, que le indica el próximo obstáculo a su camino.
Se pretende que el usuario tenga mayor comodidad, por lo que se sugiere una tentativa cuarta etapa la cual opera con tecnología Bluetooth la transmisión del comando de voz, para omitir estorbosas conexiones alambrícas. Sin embargo esta implementación no está incluida en el diseño antes mencionado.
2.6 Microcontrolador ATMELMEGA328P-PU y su programación
El Microcontrolador a utilizar por el momento es un ATMELMEGA328P-PU, el cual se programo bajo el lenguaje C, a continuación se muestra una parte del código para el HCSR04: #include <Ultrasonido.h> #include <Ultrasonido.h> int Pin_echo = 13; int Pin_trig = 12; int Pinrosa=6; int Pinazul=5; int morado=4; void setup() { Serial.begin (9600);
pinMode(Pinazul,OUTPUT); //Definimos los pines pinMode(Pinrosa, OUTPUT);
pinMode(morado,OUTPUT); pinMode(Pin_trig, OUTPUT); pinMode(Pin_echo, INPUT); } void loop() { int duracion, cm; digitalWrite(Pin_trig, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(Pin_trig, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(Pin_trig, LOW);
duracion = pulseIn(Pin_echo, HIGH); cm = duracion / 29 / 2;
Serial.print("Distancia:"); Serial.print(cm); Serial.println(" cm");
if (cm==50) //si se cumple la condición cm=50 {
digitalWrite(Pinazul, HIGH); //Se ejecutan estas sentencia y el LED AZUL ON Y LED MORADO ON digitalWrite(Pinrosa, LOW);
digitalWrite(morado, HIGH); delay (500);
digitalWrite (morado, LOW);
delay (500); // checar el ejemplo de blink del encendido y apagado de un led :)
} // Y SINO se cumple s e examinan secuencialmente las condiciones siguientes hasta el último ESLSE
else if (cm==100) //si se cumple la condición cm=100 {
digitalWrite(Pinazul, LOW); digitalWrite(Pinrosa, HIGH); digitalWrite(morado, HIGH); delay (500);
digitalWrite (morado, LOW); delay (500);
}
else if (cm==200) { digitalWrite(Pinazul,LOW); digitalWrite(Pinrosa, LOW); digitalWrite(morado, HIGH); delay (500);
digitalWrite (morado, LOW); delay (500);
digitalWrite (morado, HIGH); }
else {
digitalWrite(Pinazul,LOW); //Si todas las condiciones son falsas se ejecuta la sentencia correspondiente al ultimo else osea esta
digitalWrite(Pinrosa,LOW); digitalWrite(morado,HIGH); } delay(500); } 30
2.7 Configuración del ISD
El ISD es un circuito integrado que pertenece a la familia de los CMOS, tiene la principal característica de grabar voz y almacenarla en periodos cortos de tiempo, para llevar a cabo su configuración se fundamento en una de sus aplicaciones que viene en la hoja de datos del ISD 1420, pues para que funcione se tiene realizar la implementación y elaborar la tarjeta siguiente para el grabado de voz.
Fig.16 Programador para ISD1420P
En la anterior figura se puede observar el programador que se tuvo que copiar de la hoja de datos del fabricante para poder grabar la voz en el ISD1420.