Diseño del circuito para la tarjeta de control y módulo de comunicación Bluetooth

En esta parte del capítulo se describe la realización del circuito impresos para la tarjeta de control y el módulo de comunicación Bluetooth, además se describe la realización detallada, conexión física y dimensionamiento de los circuitos impresos para la tarjeta de control y módulo de comunicación Bluetooth en la suite de diseño automatizada para diseño de circuito impreso (Proteus), esta suite de diseño automatizado usa estándares de medidas de componentes electrónicos para poder ser ubicados con precisión y exactitud en la placa de circuito impreso que se construyó para el sistema hardware o embebido del proyecto. También usa estándares actuales para crear modelos 3D de las placas de circuitos diseñadas, así como variedad y facilidad en la creación de archivos Gerber para poder tener un control numérico por computadora en funciones de taladrado, fresado y cortado de la placa de circuito impreso del sistema embebido o empotrado del proyecto. El diseño de la PCB con una maquina automatizada que implemente el control numérico por computadora (CNC)

presenta grandes cambios frente a PCBś diseñadas y construidas con otros métodos de diseño en cuanto a precisión y ubicación de elementos electrónicos que llevara incrustada la placa de circuito impreso. El archivo Gerber que crea la Suite de diseño electrónico automatizado usa una medida de longitud expresada en th (thousand), este parámetro de longitud de la aplicación ARES, indica que cada pulgada es dividida en mil partes, 25.4 mm (1 Pulgada) dividido en mil partes equivale a 0.0254 mm como longitud mínima de la aplicación ARES, es decir 100 th se define como 0.1 Pulgadas equivalente 2.54 mm, con estas medidas en th la suite de diseño electrónico automatizado crea archivos necesarios para construir un modelo 3D equivalente para realizar el diseño de la PCB con la ayuda del

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archivo Gerber/Excellon se hacen funciones de taladrado, fresado y cortado por control numérico por computador (CNC) [94].

3.4.1. Circuito Impreso para la Tarjeta de Control Arduino

Los sistemas empotrados realizan funciones similares a las de un computador pero a una menor escala y rendimiento, los sistemas empotrados tienen una parte hardware dedicada a tareas de control, para procesar grandes cantidades de información procedente de sensores en forma veloz y exacta, el procedimiento de procesar información se logra con la unión de elementos hardware y lógica escrita en software para conseguir un óptimo desempeño en actividades de gasto de energía que se quieren controlar y procesar. El sistema empotrado del proyecto usa una pequeña tarjeta control construida por la compañía Arduino, para cumplir con la adquisición de datos que llega desde los sensores de voltaje y corriente diseñados, la tarjeta de control implementada va incorporada, incrustada y conectada en la placa de circuito impreso del sistema hardware con tecnología de agujero pasante a través de orificio (THT), en total son 30 pines que usa la tarjeta de control para quedar incrustada y soldada en la PCB del sistema hardware del proyecto, figura 35.

El circuito de la tarjeta de control en la placa de circuito impreso se compone de seis conexiones físicas de pines, figura 36, y figura 37, esto indica que solamente se usan seis pines de la tarjeta de control, cada uno de los seis pines usa un ancho de pistas (Tracks) de 60th y un diámetro de islas (pads) de 90th, para transportar bajos voltajes de entrada/salida no superiores a 5 voltios y garantizar capacidad de estabilidad en la conexión de los demás 24 pines de la tarjeta de control en la placa de circuito impreso del sistema embebido. Dos de los seis pines del circuito son entradas analógicas, en donde van conectadas las salidas de los dos sensores diseñados de voltaje y corriente implementados en la misma PCB del sistema embebido. Otros dos pines de los seis pines utilizados son salidas digitales que llevan información en banda base para posteriormente ser modulada y transmitida por el módulo de comunicación inalámbrica que usa el estándar IEEE 802.15.1. Los últimos dos pines de los seis en total son conexiones para alimentación de la tarjeta de control en el sistema embebido, el voltaje de alimentación de la tarjeta de control Arduino Nano es de 5 voltios y proviene de un regulador LM7805 conectado en la batería del Robot Bípedo Bioloid.

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3.4.2. Circuito Impreso para el Módulo de Comunicación Bluetooth

En esta parte del sistema hardware del proyecto, se muestra la conexión del módulo Bluetooth HC-05 en la placa de circuito impreso, así como la conexión de pines y la configuración del modo en el que trabaja el módulo Bluetooth HC-05, al establecer un enlace Bluetooth entre el robot bípedo y un computador, se crea una red de área personal inalámbrica WPAN correspondiente al estándar IEEE 802.15.1, que transmite en una frecuencia de 2.4 GHz como modulo maestro desde la espalda del robot bípedo, la función del enlace Bluetooth es transmitir unidireccionalmente los datos que son registrados por los sensores de voltaje y corriente eléctrica implantados intrusivamente en el circuito eléctrico del robot, especialmente en la salida del circuito eléctrico de la batería del robot bípedo. El módulo Bluetooth HC-05 usa una separación de pines equivalente a 2.54 mm (0.1 pulgadas) al igual que la tarjeta de control Arduino Nano, por esta razón el diámetro de las islas del módulo Bluetooth HC-05 no puede ser mayor a este valor de 100 th (0.1 pulgadas) porque se presentaría un corto circuito con pines adyacentes, teniendo en cuenta esta consideración de espaciamiento de pines se diseñaron cuadros en vez de círculos para las islas del módulo Bluetooth en la PCB, porque los cuadros presentan una mayor área de

Figura 35: Pines Usados en la Tarjeta de Control Arduino

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estabilidad que los círculos para dar soporte y rigidez al módulo Bluetooth en la PCB del sistema embebido, el tamaño de los cuadros islas usados es de 95 th con agujeros en el centro de las islas cuadro de 25 th para la correcta inserción de los pines y estabilidad del módulo Bluetooth en la Placa de circuito impreso.

La separación entre islas cuadro mide 10 th, que corresponde a un equivalente de 0.254 mm, este valor garantiza un mínimo de espacio para garantizar la conexión de cada uno de los pines en la placa del sistema embebido sin que exista posibilidad de cortocircuito entre los pines del módulo de comunicación Bluetooth, el ancho de pistas utilizado es de 65 th para garantizar capacidad de información de la conexión y lograr que los voltajes de magnitud de información lleguen al destino con la menor cantidad de errores, figura 38.

El Transceptor Bluetooth HC-05 está montado en una tarjeta base de 6 pines para una fácil utilización, tiene una interfaz serial para comunicación inalámbrica, puede ser configurado como maestro o como esclavo a diferencia del módulo HC-06, para una cobertura de alcance entre 5 m a 10 m usa niveles lógicos de 3.3 V de alimentación, si se quiere mayor cobertura usar el nivel lógico de 5 V como alimentación (Vcc). Los pines Key y State Figura 40, no están conectados lógicamente pero si físicamente para dar más rigidez al dispositivo Bluetooth, en el diseño de la PCB del sistema embebido, estos dos pines se conectan cuando hay que configurar el módulo con comandos AT, la configuración con comandos AT sirve para modificar los parámetros de fabricación del módulo Bluetooth, como tasa de transmisión en Baudios, código de emparejamiento, estado (Master/Slave), nombre y otras parámetros que pueden ser de utilidad al modificarlos. Los pines TXD y RXD, figura 39, manejan la interfaz serial del módulo de comunicación Bluetooth, para el diseño del proyecto se usó un módulo esclavo con una tasa de transmisión de 9600 baudios como tasa de símbolo.

Figura 37: Diseño en Software del Circuito Impreso Modulo Bluetooth HC-05

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