INSTITUTO TECNO LÓ G ICO SUPERIO R VIDA NUEV A
CARRERA:
TECNOLO GÍA EN EL ECTROM ECÁNICA
TEM A DEL PRO YECTO DE TITULACIÓ N:
DISEÑO E IM PLEM ENTACIÓN D E UN SISTEM A ELECTRÓ NICO, PARA EL CONTROL INAL ÁM BRICO DE UNA ONE W HE EL.
AUTO R:
REINOSO TOASA M ARCO ANTO N IO
TUTO R:
ING. RUIZ GUANGA JE CARLOS RODRIGO
FECH A:
M ARZO 2018
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CESIÓ N DE DERECH O S DE AUTO R
Yo, REINO SO TO ASA M ARCO ANTO NIO portador/a de la cedula de ciudada nía 172358644 - 0, facultado/a de la carrera TECNO LO G ÍA EN ELECTRO M ECÁN ICA, autor/a de esta obra certifico y proveo al Instituto Tecnológico Superior Vida Nue va, usar plenam ente el contenido
plasm ado en este escrito c on el tem a “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓ N DE UN SIST EMA
ELECTRÓ NICO , PARA EL CO NTRO L IN ALÁM BRICO DE U NA O NE W H EEL. ”, con el objeto de aportar y prom over la lectura e investigación, autorizando la publicación de m i trabajo de titulación en la colección digita l de l repositorio instituciona l ba jo la licencia de Creative Com m ons: Atribuc ión-N oCom ercial-SinDerivadas.
En la ciudad de Quito, al m es de M arzo de 2018.
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CERTIFIC ACIÓ N
En m i calidad de T utor de l Proyecto: DISEÑO E IM PLEM ENTACIÓ N DE UN SIST EM A ELECTRÓ NICO , PARA EL CO NTRO L IN ALÁM BRICO DE UN A O NE W H EEL,
Presentado por el estudiante REINO SO TO ASA M ARCO ANTO NIO, para optar por el título de
Tecnólogo en E lectrom ecánica, certifico que dicho proyecto ha sido revisado en toda s sus partes y considero que reúne los requisitos y m éritos suficiente s para ser som etido a la presentación pública y evaluación por parte del tribuna l que se designe.
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APRO BACIÓ N DEL TRIBUNAL EXAM INA DO R
Los m iem bros de l tribunal exam ina dor aprueban el inform e del Proyecto de Aplicación Práctica, con el tem a:
DISEÑO E IM PLEM ENTACIÓN D E UN SISTEM A ELECTRÓ NICO, PARA EL CONTROL INAL ÁM BRICO DE UNA ONE W HE EL.
Del Sr. estudiante: REIN OSO TO ASA M ARCO ANTONIO
De la Carrera, Tecnología en Electrom ecánica.
Para constancia firm an:
… … … …… … …… … … … … …… … …… … .
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DECLARAC IÓ N DE AUTENTICID AD
Yo, REINO SO TO ASA M ARCO ANTO NIO, estudiante del Instituto Tecnológic o Superior V ida Nueva, declaro que he realizado este trabajo de titulación tom ando e n consideración cita s bibliográficas que se nom bra n en este texto.
A través de la presente declaración cedo m is derechos de propie dad correspondiente a este trabajo de titulación al Instituto Tecnológico Superior V ida Nueva.
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AG RADECIM IENTO
En prim er lugar a Dios por haberm e bendecido dá ndom e fortaleza para continuar, a m is padres, quienes a lo largo de m i vida han ve lado por m i bienestar y educación siendo m i apoyo incondic ional en todo m om ento y seré un gran orgullo para ellos y para todos los que confiaron en m í, a m is herm anos Jesús y Ga briel por siem pre haberm e dado su fuerza y apoyo incondic iona l que m e han ayudado y lleva do hasta donde estoy ahora. Es por ellos que soy, lo que soy ahora.
M is m ás sinceros agradec im ientos al Instituto Tecnológico Superior Vida Nue va, a m i tutor el Ingeniero Carlos Ruiz por su valiosa guía, en la realización de m i proyecto de titulación.
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DEDICATO RIA
Dedico este proyecto a D ios y a m is pa dres y m is herm anos, a Dios porque ha esta do
conm igo día a día con cada paso que doy, cuidándom e y guiándom e para co ntinuar, a m is
padres, por e l am or que m e brindan siendo m i a poyo en todo m om ento, a m is herm anos
quienes está n en todo m om ento conm igo aconse jándom e y ayudándom e en m i form ación
profesional; depositando su entera confianza en cada reto que se m e presentab a sin dudar ni
un solo m om ento de m i capacidad.
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ÍNDICE G ENRAL
O BJETIVO S ... 3
1.1. O bjetivo G eneral ... 3
1.2. O bjetivos Específicos ... 3
2. DESARRO LLO O CUERPO PRINCIP AL ... 4
4.1.1. M arco Teórico – Conceptual ... 4
4.1.2. Automatización ... 4
4.1.3. Arduino U no… ...4
4.1.4. Pines de entradas, salidas y alimentación de Arduino Uno… ... 5
4.1.5. Tarjeta 1Sheeld… ... 5
4.1.6. Pantalla 5” TFT Touch… ... 6
4.1.7. Conexión entre la pantalla TFT y Arduino Uno. ... 7
4.1.8. Sensor de orientación… ...7
4.1.10.Alimentación… ... 8
4.1.11.Bateria ... 9
4.1.12.Motores eléctric os… ... 9
4.1.13.M otores DC ...10
4.1.14.Motor de imane s perm anente s… ... 10
4.1.15.Puente H… ... 10
4.1.15.1. Aplic ación de un puente H ... 10
4.1.14. Neumático… ... 11
4.2. PRO CEDIM IENTO – M ETO DO LO G ÍA… ... 11
4.2.1 Diseño… ... 11
4.2.2. Sistema de control… ... 11
4.2.3. Dispositiv o de control programable… ...12
ix
4.2.5. Enlace de Arduino Uno y 1Sheeld ... 13
4.2.6. Descripc ión ge neral e implementación… ... 13
4.2.7. Proceso de control… ... 14
4.3. CO NSTRUCCIÓ N… ... 14
4.3.1. Armazón ... 14
4.3.2. Sistemas de control… ... 15
4.3.3. Program ación en el software de Arduino… ... 16
4.3.3.1. Program ación de LCD ... 17
4.3.3.2. Program ación de Toggle Button… ... 17
4.3.3.3. Program ación de Orientación… ...18
4.4. SISTEM A DE PO TENCIA… ... 21
4.4.1. Motores DC… ... 21
4.4.2. Construcción de partes… ... 22
4.4.3. Acoplamiento de los motores re ductores y baterías ... 23
4.4.4. Regulador de voltaje… ... 24
4.4.5. Inversión de giro ... 26
4.4.6. Distribución del cableado… ... 27
4.4.7. Alime ntac ión ... 27
3. CO NCLUCIO NES ... 29
4. RECO M ENCACIO NES ...30
5. FUENTES ... 31
5.1.BIBLIO G RAFÍA. ...31
x
ÍNDICE DE FIG URAS
FIGURA FIGURA
N° N°
1Tarjeta Arduino M ega con 1Sheeld… ... 6
2Pantalla 5‖ TFT Touch (HMI)… ... 6
FIGURA N° 3 Orientación en tres grados de libertad… ... 7
FIGURA N° 4 M ódulo She ld de relés de 8 canales… ... 8
FIGURA N° 5 Com posición eléctrica ... 9
FIGURA N° 6 M otor AC y M otor DC… ... 9
FIGURA N° 7 Llanta de caucho 5/8‖… ... 11
FIGURA N° 8 Diseño del arm azón… ... 15
FIGURA N° 9 Unión de 1Sheeld y Arduino U no ... 15
FIGURA N° 10 Ubicación de 1Sheeld y Arduino Uno en acrílico ... 16
FIGURA N° 11 Visualización del escudo LCD ... 17
FIGURA N° 12 Visualización del escudo Toggle Button… ... 18
FIGURA N° 13 Visualización del escudo de Orientación… ... 22
FIGURA N° 14 M otores DC utiliza dos… ... 22
FIGURA N° 15 M otores reduc tores y baterías ... 23
FIGURA N° 16 Chum acera ... 24
FIGURA N° 17 Eje- piñón- chum acera ... 24
FIGURA N° 18 Regulador de voltaje… ... 25
FIGURA N° 19 Diagram a del circuito regula dor de voltaje… ... 25
FIGURA N° 20 Dise ño del circuito en baquelita ... 26
FIGURA N° 21 Circuito com pleto… ... 26
FIGURA N° 22 Puente H ...26
FIGURA N° 23 Puente H con relés ... 27
FIGURA N° 24 Distribución del cableado por secciones ...27
FIGURA N° 25 Baterías de 12v para cada m otor DC… ... 28
FIGURA N° 26 Baterías de 6v conectados en seria para cada m otor DC… ... 28
FIGURA N° 27 Com probación del sistem a ... 36
FIGURA N° 28 Construcción del eje para la llanta… ... 36
FIGURA N° 29 Construcción del chaveteo en el eje… ...36
FIGURA N° 30 Piñón en el eje del m otor… ... 37
xi
FIGURA N° 32 Vista prelim inar ... 37
FIGURA N° 33 .Construcción de base con tubo de 1‖1/4 ... 38
FIGURA N° 34 Construcción de la base para las chum aceras ... 38
FIGURA N° 35 Construcción de chavetero en eje ... 38
xii
ÍN DIC E D E TA BLA S
TABLA 1. Características de Arduino Uno. ... 4
TABLA 2. Conexión de la panta lla TFT a Arduino Uno. ... 7
TABLA 3. Pines para el m ódulo de relés de 8 canales… ... 8
TABLA 4. Datos técnicos de los m otores de DC ... 23
TABLA 5. Corrientes y voltajes en vacío ... 23
xiii
ÍN DIC E D E A N EX OS
8.1.1.Código de program ación para m over adelante, atrás y giro ... 31
8.1.2.Program ación para encender una tira de Led con relé… ... 33
8.1.3.Programación con datos específicos… ... 33
8.1.5.Construcc ión de eje en el torno… ... 35
8.1.6.Elaboración de chavetero en el eje de la llanta… ... 35
8.1.7.Acople del piñón en el eje del m otor ... 35
8.1.7.Acople de piñón en el eje de la lla nta ... 36
8.1.8.Ensam bla je de piezas vista prelim inar… ... 36
8.1.9.Base de tubo de 1‖ ¼. ... 36
8.1.10.Base para alojar las chum aceras… ...37
8.1.11.Fijación de llanta s en la base ...37
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INTRO DUCC IÓ N
El proyecto tiene com o finalidad controlar un sistem a m ecánico de m anera ina lám brica, con tecnología que se utiliza hoy en día; la c om unicación inalám brica nos brinda la posibilidad de transferir datos de m anera rápida, m a nteniendo la conectividad a una red con las m ism as características com o si estuviéram os c onectados a una red cableada, esta tecnología reduce los precios respecto a una instalac ión cableada.
El código abierto y software extensible, Arduino posee herram ient a s de códigos abierto, basado en m icrocontrola dores AT -M EGA 168 Atm el, utiliza un le nguaje m ediante librerías C++, com patible para shields m odulares que se insertan e ncim a de otras para dar funciona lida d extra a un Arduino la com unicación son por pines dig itale s y analógic os o por puerto serie.
La utilización de la tarje ta 1Sheeld perm ite extraer los sensore s virtua les del dispositivo Sm artphone con el propósito de controlar inalám bricam ente el sistem a m ecánico, facilitando de esta manera la utilización de varios sensores del dispositivo siendo un sistema completamente seguro, se utilizara los sensores virtuales giroscopio y acelerómetro y de orientación para el control del sistema mecánico
Se im plem entará un sistem a de m onitoreo inalám brico de ba jo costo, g racias a los avances tecnológicos de visualización digita l, se requiere que los datos adquiridos por los distintos sensores virtuales del Smartphone se refleje en la pantalla (HM I), proporcionada por una interfaz gráfica de control y visualización entre el hom bre y la m áquina, Cabe destacar que la única form a de interacción entre la aplicación y el usuario, es m ediante su interfaz gráfica, la cual está diseñado Nextion E dition.
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ANTECEDENTES
La autom atización es un proceso aplicado en diferentes tecnología s, para el control y m onitoreo de una serie de procedim ie ntos, recibiendo señales de entrada las cuales son procesadas y posteriorm ente ejecutan una acción; esto perm ite controlar la secuenc ia de la s operaciones sin la intervención del hom bre y de esta m anera dism inuir el esfuerzo físico; aum entando así el rendim iento, la calidad y la productividad.
Según, Gutierrez (2000) Arduino fue dise ñado com o una pla taform a educativa basada en W IRING, para program ar el m icrocontrolador A TM EGA 328P -PU; accesible al c ódigo abierto e n hardware y software, fue pensa do para estudia ntes, con la fina lida d de re ducir precios; se debe tom ar en cue nta que los proyectos de Arduino pueden ser autónom os o pueden com unicarse con software en ejecución en un ordena dor (p.8).
La tarjeta 1Sheeld convierte un Sm artphone en un Arduino Shield configurable; e stá interconecta do a una aplicación m óvil totalm ente gratuita, que perm ite e l uso de todos los sensores del Sm artphone en el sistem a operativo de Android, ta les com o: Giroscopio, Aceleróm etro, M agnetóm etro, GSM , W i-Fi, GPS, entre otros.
Nextion Hum an M achine Interface por sus siglas (HM I), es una solución qu e incluye hardware en una serie de placas TFT y de software que es el editor del displa y, para la com unicación utiliza un puerto serial, y proporciona una interfaz de c ontrol y visua lización entre el hom bre y un proceso, optim izando de esta m anera el tiem p o para el registro de control.
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RESUM EN
El control inalám brico hoy en día es aplicado en todo tipo de sistem as o aplicaciones ya se an eléctricas com o m ecánicos, el objetivo principa l del control inalám brico de sistem as es dotar al usuario de facilidade s del c ontrol a distancia con el obje tivo de controlar los actuadores de form a rem ota, entre la s aplicaciones m ás conoc ida se encuentran los sistem as dom óticos, los m ism o que buscan controlar todas las cargas conectada s a sistem a eléctrico residenc ial por m edio de un celular o com putadora, otro tipo de aplicacione s se la puede evidenciar en las industrias de producción o m anufactura en donde los procesos industria les son c ontrolados incluso desde otras ciudades con el objetivo de arrancar o detener los procesos, determ inar los daños provocados en tiem po real e incluso sim plem ente realizar el conteo de l m aterial que se produc e. Es por eso que el presente proyecto tiene com o finalidad controlar un sistem a m ecánico por m edio de los sensores que tie ne un celular, específicam ente por m edio del aceleróm etro, e ste sensor perm ite detectar el m ovim iento de l m ism o e incluso identificar cuando s e lo ha girado o inc linado, los datos obtenidos por este sensor son transferido m ediante bluetooth a un Arduino Uno el cual procesa la cantidad de m ovim iento o los grados que se encuentra girado el celular para enviar señales de control hacia un bloque de relés para establecer cuáles son aquellos que se deben encender, es im portante considerar que estos relés c ontrolan un m otor reductor de corriente continua que se ubica en la ba se de la ONE W HE EL y perm ite e l de splazam iento hac ia adelante, atrás o girarla hacia la derecha o la izquierda.
PALABRAS CLAVE:
3
3. O BJETIVO S
3.1. O bjetivo G eneral
Diseñar e im plem entar un sistem a e lectrónico, m ed iante el uso de 1Sheeld y Arduino U no, para el control inalám brico de una O NE W HEEL, en el Instituto Tecnológic o Superior V ida Nueva.
3.2. O bjetivos específicos
Dise ñar la plataform a de com unicación de 1Sheeld aplicando software código de program ación libre.
Establecer la interfaz gráfica en el software de Nextion E dition del display TFT de 5 pulga das (HM I), para la visualización de l pane l de dise ño y m anipulación de la aplicación.
Im plem entar el sistem a electrónic o de potencia para el control de los m otores de corriente continua.
4
4. DESARRO LLO O CUERPO PRINCIP AL
4.1.1. M arco Teórico – Conceptual 4.1.2. Automatizac ión
Los prim eros sistem as de c ontrol surgen en la Revoluc ión Industrial a finale s de l siglo XIX y principios de l siglo XX, están basados e n com ponente s m ecánicos y electrom agnétic os c on un proce so continuo, e stos sistem as son capases de sim ular la m ovilidad de m áquina s donde el operario dism inuye esfuerzos físic os.
4.1.3. Arduino Uno
Arduino es una plataform a de código abierto basada en hardware y software fácil de program ar, posee un m icrocontrolador A TM EGA 328P -PU Arduino fue pensado para realizar diseños de prototipos, m ediante la recepción de seña les de entradas, u tilizando una variedad de sensores m ediante e l control de actuadores c om o luces, m otores que se puede n utilizar para desarrollar elem entos autónom os.
Tabla 1
Características de A rduino U no
Característica Descripción
M icrocontrolador ATm ega 328P-PU
Volta je de operación 5v
Tensión de entrada (recom endada) 7-12v
Tensión de entrada (lím ite) 6-20v
Pines digita les de E/S 14 ( de los cuales 6 proveen salidas PW M )
Pines de entradas analógicas 6
Corriente DC por pin E /S 40 m iliam perio
Corriente DC para pin 3.3v 50 m iliam perio
M em oria flash 16KB ( de los cuales 2KB usados para
bootloader )
SRAM 1KB
EEPROM 512 bytes
Frecuencia de reloj 16M Hz
5
4.1.4. Pines de entradas, salidas y alimentación de Arduino Uno
La tarjeta Arduino posee 14 pine s que pueden ser utilizados com o e ntradas y salidas, usando funcione s pinM ode(), digitalW rite() y digitalRead(). Cada uno de los pines funciona a 5 volt, cada pin proporc iona y recibe un m áxim o de corriente 40m A.
VIN. La entrada de tensión a la placa A rduino cuando está usando una fuente de alim entación externa (al contrario de los 5 voltios de la conexión USB u otra fuente de alim entación regulada). Puede sum inistrar tensión a través de este pin, o, si sum inistra tensión a travé s del conector de alim entación, acceder a él a través de este pin.
5V. El sum inistro regulado de energía usado para alim entar al m icrocontrolador y otros com ponentes de la placa. Desde VIN a través de un regulador en la placa, o ser sum inistrado por USB u otro sum inistro regulado de 5v. Un sum inistro de 3.3 V generado por el chip FTDI de la placa. La corriente m áxim a es de 50 m A.
G ND. Pines de Tierra.
4.1.5. Tarjeta 1Sheeld
La tecnología que presenta la tarjeta 1Sheeld convierte a un dispositivo m óvil Sm artphone/Tablet, siendo una tarjeta electrónica com patible para la plataform a de Arduino (UNO, DUE, M EGA, LEO NARDO.) y proporciona conectividad ina lám brica vía Blue tooth entre la tarjeta y el Sm artphone basada en una plataform a de software se debe instalar una app que proporciona diferentes Shields y periféricos virtuales sobre el dispositivo m óvil, en el software de Arduino se de be instalar los drives cuyas funciones perm iten realizar program aciones que interactúa n con los periféricos virtua les del m óvil.
6
FIGURA 1. Tarjeta Arduino M ega con lSheeld.
4.1.6. Pantalla 5” TFT Touch
Las pantallas TFT touc h com patible para versión de Arduino están equipados con interfaces de control LCD, la creación de un puerto serie HM I separa por com pleto el control de usuario de la pantalla; por m edio de la utilización del software Visual TF T instalado en lo s equipos de control, por lo tanto realiza la reducción de las dificultades en el desarrollo y la m ejora de la eficiencia de trabajo y un rendim iento de visualización, está integrado con una m em oria flash no volátil de 1GB, lo que podría perm itir a los usu arios alm acenar texto, im ágenes fija s, im ágenes GIF y archivos de sonido, etc. Para ello, los usuarios debe n utilizar el software de PC para descargar im ágenes requeridas en la m em oria flash del panel de operador por m edio de USB, y luego controlar func iones com o la visualización de im áge nes m edia nte el envío de instrucciones en serie en el puerto correspondiente, todo el proceso es fácil de entender y operar.
7 4.1.7. Conexión entre la pantalla TFT y Arduino Tabla 2
Conexión de la pantalla TFT a Arduino Uno
M ódulo TFT Aruino Uno, NANO
SDO(M ISO ) Pin 12
LED Pin 3.3v o fuente externa 3.3v
SCK Pin12
SDI(M OS I) Pin 11
D/C Pin 9
RESET Pin 3.3v o fuente externa 3.3v
CS Pin 10
GND Pin GND
VCC Pin 3:3v o fuente externa
FUENT E: Elaboración propia.
4.1.8. Sensor de orientación
El sensor de orientación en el dispositivo Sm artphone da inform ación del valor del acim ut en grados sexa gesim ales y la s rotaciones pitch y roll.
Figura 3. Orientación en tres grados de libertad
4.1.9. M ódulo de relés de 8 canales
8
individuales que sirven com o indica dores de estado; cada uno de los relés que presenta el bloque actúan com o interruptores para controlar carg as AC Y DC.
FIGURA 4. M ódulo Sheld de relés de 8 canales
4.1.10. Alimentación
El m ódulo de relés presenta pines de conexiones; el jum per que posee tres pine s se puede seleccionar de m anera que todo el m ódulo funcione en conjunto, es decir seleccionar con el jum per jd-vcc y vcc, o bien alim entar de form a independiente tanto optoacopladores com o relés quitando el jum per.
La nom enclatura de los pine s son GN D - IN1 - IN2 – IN3 – IN4 – IN5 – IN6 – IN7 – IN8 - VCC.
Tabla 3
Pines para el módulo de relés de 8 canales
Pines del módulo de relés Pines de la tarjeta de Arduino
G ND Pin a tierra
IN1
Pines de signados por el program ador, com o salidas para la activación y desactivación de los relés.
IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 IN8
VCC 5 volt de la tarjeta de Arduino Uno
9 4.1.11. Batería
Las batería s posee una infinidad de form as físicas interiorm ente posee quím icos que transm ite n electrones, es un proceso e lectro — quím ico que genera electricida d a través de reacciones quím icas; las baterías poseen dos polos, un polo positivo (+) y un polo ne gativo ( - ). Los electrones de carga negativa se dispersan a l polo negativo hacia el polo positivo, o sea, son recogidos por el polo positivo.
Figura 5. Com posición Eléctrica.
4.1.12. M otores Eléctricos
Los m otores eléc tricos son m áquinas eléc tricas que transform an en energía m ecánica la energía eléctrica, por m edio de inte graciones electrom agnéticas, los m otore s de AC y DC se basan en el mismo funcionamiento, el cual establece que si un conductor ―esmaltado‖ por el circula una corriente eléctrica se enc uentra dentro de la acción de un cam po m agné tico, e ste tiende a desplazarse perpendicularm ente a las líneas de acción del cam po m agnético; el conductor tiende a funcionar com o un electroim án debido a la corrie nt e que es som etido obteniendo propiedades m agné ticas en el polo norte y el polo sur, el resultado de esta acción
tienda a girar produciéndose así energía m ecánica. .
10 4.1.13. M otor de DC
Los m otores de DC, convierte n la energía e léctrica a energía m ecánica; la principa l característica de los m otores de DC, es la posibilidad de controlar y regular la ve locida d desde vacío hasta con carga este tipo de m otor puede actuar com o generador o m otor.
El estator posee polos saliente s, su bobinado es de cobre y la corriente se transm itirá a través de las escobilla s, haciendo que el rotor gire producido por el cam po m agné tico; solo en casos especiales el esta tor posee im anes perm anentes.
4.1.14. M otor de imanes permanentes
El cam po m agnético de un m otor DC, es ge nerado por bobinas o im ane s perm anentes, perm itiendo así el m ovim ie nto del rotor, se pueden clasificar de acuerdo con el diseño de la arm adura.
Los m otores DC tienen e scobillas m ecánicas y conm utadas, de pendiendo de la arm adura se clasifican en tres tipos:
De núcleo de hierro
De devanado superficial De bobina m óvil
4.1.15. Puente H
En la actua lida d este tipo de circuitos, perm ite a un m otor e léctrico DC girar en am bos sentidos anti horario y horario se puede construir con elem entos eléc tric os y/o electrónicos.
Se com pone de 4 interruptores m ecánicos relés o m ediante transistores, el puente H no solo se usa para invertir el giro de un m otor tam bié n es utilizado para realizar un frenado de m anera brusca al hacer un corto en los term inales de l m otor.
4.1.15.1. Aplicaciones de un Puente H
Autom atizaciones de procesos industriale s En ascensores de edificios
En tecles eléctricos Circuitos electrónic os Transportar obje tos
11 4.1.16. Neumático
Generalm ente son de form a toroide de ca ucho blando interiorm ente tiene una cám ara de tuvo lleno de aire que se coloca en las rueda s de vehículos o m áquinas.
Su principa l función es perm itir un contacto adecuado en la adherencia y fricción con el pavim ento, posibilita ndo el arranque, el frenado y la guía.
Figura 7. Llanta de caucho 5/8‖
4.2. Procedimiento – M etodología. 4.2.1. Diseño
Los parám etros que influyen directam ente en el diseño m ecánico del proyecto.
Capacidad m áxim a de carga = 90kg.
Dim ensiones sugeridas para la estructura = 120 m trs x 50 cm 25 cm . Velocidad m áxim a de desplazam iento = 4.5 m /s.
Inclinación m áxim a de ascenso 10°
Tom ando en cuenta que los parám etros establecidas son datos propios con sistem as que justifican factores de seguridad.
4.2.2. Sistema de control.
El sistem a de control es el siguiente proceso: Program ación m ediante PC.
12
La sim ulación e s necesaria en c ualquier tipo de proceso principa lm ente para corregir errores antes de la im plem entación del sistem a definitivo.
Se utilizó el software de Arduino para la program ación de la tarjeta Arduino Uno; la aplicación de 1Sheeld se la de scarga de Play Store tom ando en consideración la versión del Android que posee el dispositivo Sm artphone.
Reconocim iento del sensor virtua l por el Sm artphone Lectura del sensor virtual de Orientac ión
Lectura del sensor virtual de LCD
Lectura del sensor virtual T oggle Button
Salida de señales digitale s control de los relés M ovim iento del m otor 1 y m otor 2.
El objetivo del control por m edio de l sensor virtual de orientación es obtener dos grados de libertad en e l eje de las (X) y el eje de las (Y) para su m ovim iento en cua tro direccione s adelante, atrás, izquierda y derecha.
El circuito de contro l está separado de l sistem a de potencia de los m otores para evitar corto circuito en el m ecanism o.
Para el m ecanism o; la protección del sistem a de control se dim ensiono un fusible por m edio de la lectura de la pinza am perim étrica el consum o de las corrient es de l m otor uno y m otor dos y se lle gó a la conclusión de colocar dos fusibles de 5am périos por m otor.
4.2.3. Dispositivo de control programable
Actualm ente los sistem as electrónic os y sistem as de telecom unicaciones utilizan un nivel de requerim ientos en el diseño y su funcionam iento se vuelve com plejo; en la actualidad el desarrollo de nuevas plataform as hardware han hecho que se desarrollen circuitos integrados digitales program ables reduc iendo la com plejidad y abaratando costos en circuitos
13 4.2.4. Red Inalámbrica.
La im plem entación de un nuevo sistem a de c ontrol inalám brico fue pensa do para solucionar el inconvenie nte del cableado, para que el usuario tenga la se guridad y com odidad de controlar el sistem a, evita ndo los problem as que se han presenta do en la utilización d e distintos se nsores.
El cableado exce sivo en los sistem as de control puede ocasionar fallos eléctricos y daños físicos, ocasionados por corto circuito al no llevar una distribución apropiada ; el exceso de cableado provoca interferencias en la transm isión de seña les a largas distancias; una m ejor m anera de controlar actuadore s y visualizar los sensores es vía Bluetooth, perm itiendo m anipular e l sistem a m ecánico, elim inando a sí e l cableado que poseía anteriorm ente para recibir la s seña les de com unicación, siendo a sí un sistem a seguro para e l usuario y dism inuyendo el costo de los sensores.
4.2.5. Enlace de Arduino Uno y 1Sheeld.
La unión de tarjeta 1Shee ld y Arduino Uno se convertirá en una sola tarjeta e lectrónica diseñada para extraer todos los datos y sensores virtuale s del dispositivo Sm artphone ; dism inuyendo el cableado e xcesivo que se utilizaría para cada uno de los sensore s im plem entados, el c ontrol inalám brico vía bluethooth, es una de las m ejores form as para la transm isión y recepción de datos; la im pla nta ción de la pantalla TFT de 5‖ (HM I) en el sistem a, el usuario podrá m anipular y observar sus funciones y e l estado del sistem a m ecánico.
4.2.6. Descripción general e implementación.
El diseño será de program ación de lazo abierto, ya que no tendrá ninguna restric ción por el program ador, el usuario tendrá todo e l benefic io del sistem a, podrá m ejorar a un futuro e l funcionam ie nto de l m ecanism o.
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pantalla TFT 5‖ (HMI) será una interfaz gráfica que permitirá observar y ser manipulado por el usuario.
La etapa de potencia será controla da por el m ódulo de relés de 8 canales que controlará el giro de dos m otores DC con un m áxim o de corriente de10 am perios cada uno, constará con el circuito de alim entación se utilizará dos batería s de 12 voltios independiente para cada m otor DC con una corriente de 1.5 am perios.
4.2.7. Proceso de control
El sistem a m ecánico se dispondrá de un interruptor ubicado en el c ontrol principal el c ual encenderá y apagará todo el sistem a de control y posee dos fusibles de protección en el sistem a de potencia.
La aplicación de 1Sheeld será el control inalám brico; prim ero se em parejará el dispositivo Sm artphone con 1Sheeld vía Blue tooth, se seleccionara los tres escudos principales: el esc udo de orientación, el escudo de push button y el escudo del LCD.
La interfaz gráfica de la panta lla TF T, indicará aspectos d e los datos proporcionados por e l program ador hacia el usuario.
El sistem a de potencia consta de dos m otores DC de 12 voltios el cual esta acoplado por m edio de dos piñones, el prim ero piñón esta acoplado al eje del m otor DC y por m edio de la cadena esta acoplado al eje de la llanta, el cual perm itirá los m ovim ientos ade lante atrás izquierda y derecha.
4.3. Construcción 4.3.1. Armazón
El diseño y construcción del arm azón es el sistem a de soporte para im plem entar los diversos elem entos que conform aran el sistem a m ecánico que perm itirán el control de los m ovim ientos de los m otore s DC.
15 4.3.2. Sistemas de control
Figura 8. Diseño del arm azón
El sistem a electrónico se ubicó e n la parte superior de l arm azón optim izando e l espacio interno para que el sistem a de control este aislado de la parte de pote ncia; la im pla ntación de 1Sheeld y Arduino Uno se ubicó en una base de acrílico, se colocaron de tal form a de que el usuario pueda acceder a la m anipulación de estos elem entos.
Figura 9. Unión de 1Sheeld y Arduino UNO
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Figura 10. Ubicación de 1Sheeld y Arduino uno en el acrílico
4.3.3. Program ación en el software de Arduino
4.3.3.1. Program ación de LCD
#define CUSTOM _SE TTINGS #define INCLUD E_LCD _SHIEL D #include <OneSheeld.h>
int An; void se tup() {
OneSheeld.begin(); LCD.begin();
LCD.clear(); }
void loop() {
LCD.hom e();
An=analogRead(A0);
LCD.print(" PROYECT O TESIS M ARCO REINOSO "); }
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La Función setup () se establece com o configuración inicial en el program a; O neSheeld.begin inicia la com unicación c on el dispositivo rem oto, LCD.begin da inicio a l LCD en la prim era posic ión y la prim era colum na el LCD.clear borra la pantalla LCD.
La función loop () ejecuta un núm ero infinito de veces, en este caso es la conversión de An0, y en LCD.print se visualiza en el display del dispositivo.
Figura 11. Visualización del Escudo LCD
4.3.3.2. Program ación de Toggle Button
#define CUSTOM _SE TTINGS
#define INCLUD E_T OGGL E_BUT TON _SHIELD #include <OneSheeld.h>
byte rele = 4; voidsetup(){
pinM ode(rele,OU TPUT); OneSheeld.begin(); }
void loop(){
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La librería INCLUD E_T OGGL E_BUT TO N _SHIELD, esta blece el código y define las constante para Toggle Button; la consta nte int se esta blece com o variable para la lectura de un canal digital, se declara el pin 4 com o sa lida para enviar los datos de program ación.
La función se tup () se declara pinM ode y se define com o salida para el réle.
La función loop () representa el estado del interruptor del dispositivo rem oto, en este proceso se repetirá varias veces con el nom bre de réle.
Figura 12. Visualización del Escudo Toggle Button
4.3.3.4. Program ación de Orientación
#define CUSTOM _SE TTINGS
#define INCLUD E_ORIE NTATIO N_SENS OR_SHIEL D #include <OneSheeld.h>
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void se tup() { OneSheeld.begin(); pinM ode(R1,O UTPUT); pinM ode(R2,O UTPUT); pinM ode(R3,O UTPUT); pinM ode(R4,O UTPUT); pinM ode(R5,O UTPUT); pinM ode(R6,O UTPUT); pinM ode(R7,O UTPUT); pinM ode(R8,O UTPUT); digitalW rite(R1, HIGH); digitalW rite(R2, HIGH); digitalW rite(R3, HIGH); digitalW rite(R4, HIGH); digitalW rite(R5, HIGH); digitalW rite(R6, HIGH); digitalW rite(R7, HIGH); digitalW rite(R8,HIGH); void loop(){
if(Orienta tionSensor.ge tY() > 30 & & OrientationSensor.getZ() > -10 & & OrientationSensor.getZ() < 10){
digitalW rite(R1,LOW ); digitalW rite(R2,LOW ); digitalW rite(R3,HIGH); digitalW rite(R4,HIGH); digitalW rite(R5,LOW ); digitalW rite(R6,LOW ); digitalW rite(R7,HIGH); digitalW rite(R8,HIGH); }
if(Orienta tionSensor.ge tY() < -30 & & OrientationSensor.getZ() > -10 & & OrientationSensor.getZ() < 10){
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digitalW rite(R2,HIGH); digitalW rite(R1,HIGH); digitalW rite(R8,LOW ); digitalW rite(R7,LOW ); digitalW rite(R6,HIGH); digitalW rite(R5,HIGH); }
if(Orienta tionSensor.ge tZ() > 30 & & OrientationSensor.getY() > -10 & & OrientationSensor.getY() < 10){
digitalW rite(R1,LOW ); digitalW rite(R2,LOW ); digitalW rite(R3,HIGH); digitalW rite(R4,HIGH); digitalW rite(R5,HIGH); digitalW rite(R6,HIGH); digitalW rite(R7,LOW ); digitalW rite(R8,LOW ); }
if(Orienta tionSensor.ge tZ() < -30 & & OrientationSensor.getY() > -10 & & OrientationSensor.getY() < 10){
digitalW rite(R4,LOW ); digitalW rite(R3,LOW ); digitalW rite(R2,HIGH); digitalW rite(R1,HIGH); digitalW rite(R8,HIGH); digitalW rite(R7,HIGH); digitalW rite(R6,LOW ); digitalW rite(R5,LOW ); }
if(Orienta tionSensor.ge tY() > -28 & & OrientationSensor.getY() < 28 & & OrientationSensor.getZ() > -28 & & OrientationSensor.getZ() < 28){
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digitalW rite(R1,HIGH); digitalW rite(R8,HIGH); digitalW rite(R7,HIGH); digitalW rite(R6,HIGH); digitalW rite(R5,HIGH); } }
La librería INCL UDE_ORIENTACIO N_SENSOR _SHIELD, las siguie ntes líneas de código define las c onstantes para el LCD la conta nte int establecie ndo com o la lectura de un cana l digital, se debe incluir los pines que se va a utiliz ar para enviar los datos.
La función setup () se define 8 salidas digitales con pinM ode, y 8 digitalW rite y se establece com o valores altos (HIGH), inicia la com unicación con el dispositivo rem oto.
La función loop () lectura de la orientación de los tres e jes:
Eje x e l ángulo del e je x esta entre los 30 y 10°, activa la salida com o señal digita l caso contrario lo desactiva.
Eje y si e l ángulo del e je de las y es +/- 30 y 10° activa la sa lida c om o seña l digital, caso contrario lo desactiva.
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Figura 13. Visualización del Escudo de Orientación
4.4. Sistema de potencia 4.4.1. M otores DC
Consta de dos m otores DC están ubicados a cada extrem o de la estruct ura, con el fin de que el peso este equilibrado en am bas partes, cada m otor DC opera a 12 voltios.
23 Tabla 4
Datos Técnicos de los motores de DC
M O TO R 1 M O TO R 2
M arca: CR-ZD1897A M arca: CR-ZD1897A
Serie: W ef4t4cgsf9873 Serie: Itk5693kt9321b56
Voltaje: 12 de DC Voltaje: 12v de DC
Corriente: 12v de DC Corriente: 12v de DC
Potencia: 280W Potencia: 280W
Fuente: Elaboración propia
Tabla 5
Corrientes y voltajes en vacío
Voltaje1 ( - ) ( + ) Corriente1 Voltaje2 ( - ) ( + ) Corriente2
12 DC 12 DC 0.33A 12 DC 12 DC 0.23A
Fuente: Elaboración propia
Tabla 6
Corrientes y voltajes con carga
Voltaje1 ( - ) ( + ) Corriente1 Voltaje2 ( - ) ( + ) Corriente2
12 DC 11 DC 41A 12 DC 12 DC 40A
Fuente: Elaboración propia
4.4.2. Construcción de partes.
4.4.3. Acoplam iento de los motores reductores y baterías.
El propósito de colocar los m otore s reductores y la s baterías a cada extrem o de la estructura tiene com o finalidad de igualar el peso a cada lado del sistem a m ecánico.
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La chum acera es utilizada para el soporte de eje s giratorios, generalm ente se utilizan dos chum aceras para cada extrem o de un eje.
En el centro de la chum acera se aloja un rodam iento de bolas, su arm adura es de acero el cual posee agujeros en los extrem os para la sujeción a cualquier báse.
Figura 16. Chum aceras P204
El eje m antie ne la posición del neum ático, en los extrem os del eje se usarán dos chum aceras sujeta s a la ba se de l sistem a para realizar el giro; del lado izquie rdo del e je va acopla do e l piñón de diám etro 100m m , se utilizará una cadena para conectar al piñón con el e je del m otor de diám etro 50m m .
Figura 17. Eje- piñón y chumaceras
4.4.4. Regulador de voltaje
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Figura 18. Regulador de voltaje
M ateriales para la realización del circuito:
LM 317T
Potenciom etro 10K Resistencia 470 ohm s
Fuente 12Vdc
LED rojo 5m m Resistencia 1K
Condensador 0,1 uf 16V Condensador 1 uf 16V
Figura 19. Diagrama del circuito regulador de voltaje
El diseño de este circuito, se realizó en una placa de baquelita (figura N° 20) y será utilizado
para la alim entación de las tarjeta s electrónica s, m ediante este circuito se regula el voltaje de
12V ha sta 8V, el tra nsistor LM 317T es un regulador de voltaje variable, el condensa dor de
0,1 uf a 16v va conectada a la entrada del voltaje, la s dos resistenc ias es la relación de la
variación del potencióm etro con respec to a la resiste ncia y a la salida un c ondensador de 1 uf
a 16v.
1=AD J 2=Output
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Figura 20. Diseño del circuito en baquelita Figura 21. Circuito com pleto
4.4.5. Inversión de giro
La inversión de giro del m otor DC se logra invirtiendo la polaridad de la co nexión eléctrica del cam po m agnético.
Figura 22. Puente H
Los relés funcionan com o botone s m ecánicos accionados eléctricam ente, es decir en un sistem a eléctrico que a su vez acciona otro sistem a eléctrico; este m ecanism o perm ite controlar volta jes altos, a partir de voltajes m uchos m enores.
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Figura 23. Puente H con relés
4.4.6. Distribución del cableado
En la distribución del cableado se utilizara cable AW G # 14 para la cone xión del sistem a de potenc ia y para el circuito eléctrico de inversión de giro de los m otores DC.
En la parte de l control se utilizará cable AW G # 16 para conectar la alim entación de la s baterías con el sistem a eléctrico, se colocará canaleta de 1cm de grosor para, el cableado de l sistem a eléctrico de control y de potenc ia.
Figura 24. Distribución del cableado por secciones
4.4.7. Alimentación
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El m ecanism o tendrá la disponibilidad y opción de utilizar las ba terías de la siguiente form a en la (figura N° 25) se m uestra la form a de conexión de la batería; una batería independiente para el m otor A y el m otor B.
Figura 25. Baterías de 12v para cada m otor
En la (figura N°26) se presenta otra m anera de conexión de las baterías, dos ba terías de 6v conectadas en serie obteniendo 12v voltios para cada m otor.
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4. CO NCLUSIO NES
Se diseña un sistem a eléctrico y electrónico obteniendo com o resultado la plataform a m óvil y así adaptándose a su entorno, por m edio de una com unicación inalám brica, vía blue tooth con dispositivo Sm arthphone y 1SH EEL D.
La im plem entación de la pantalla TF T (HM I) en el sistem a con la finalidad de crear interfaces gráficas en el desplay y controlar salidas digitales m ediante Arduino Uno, para la interacción con el usuario en la c ual no es necesario que sea un panel touch.
La utilización del m ódulo de relé s de Arduino Uno, facilita e l funcionam iento a l activar y desactivar los contactos m edia nte una seña l de pulsos eléctric os con una intensida d m ucho m enor que la intensidad qu e va a consum ir, siendo un control para volta jes elevados.
Para aum entar la fuerza de tracción de l m ecanism o se utilizó dos m otores reductores de 12voltios conectados por m edio de una cadena, al eje de la caja reductora y a l e je del neum átic o para su m ovilidad, reduc iendo su ve locidad al 25% y aum entando la fuerza a un 75% de su totalidad.
Siendo un sistem a inalám brico brinda grande s venta jas; ya que se elim ina el exceso de cables, aum entando la velocidad de transm isión y recepción de datos; e s m á s eficiente en com paración con otros sistem as de com unicación.
Se culm inó con éxito e l objetivo princ ipal del funcionam iento del sistem a m ecánico; con la im plem entación de la tarjeta 1SHEEL D y Arduino Uno, se pudo reducir los costos por cada sensor utilizado.
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5. RECO M ENDACIO NES
Para controlar el sistem a m ecánico se recom ienda que el dispositivo Sm artphone posea una versión de Android de 4.1.2, en adelante.
Ejecutar en el dispositivo Smartphone la aplicación ―1SHEELD‖ emparejar vía
bluetooh el dispositivo con la tarjeta 1Sheeld y seleccionar las SH EELD según la program ación del usuario.
Se debe desconectar el sistem a eléctric o, cuando el usuario deje de utilizar el m ecanism o; así no se descargarán las baterías.
Verificar que las baterías estén cargadas ante s de que el usuario controle el m ecanism o.
Se recom ienda cargar las baterías por un periodo de 4 a 8 horas.
Evitar el ingreso de agua al sistem a eléctrico y electrónico, ya que puede causar cortocircuito daña ndo así todo el sistem a m ecánico.
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6. FUENTES
7.1.1. BIBLIO G RAFÍA
Gutierrez, J. M . (26 de M ayo de 2000). Manual de usario de arduino. Obtenido de https://arduinobot.pbw orks.com /f/M anual% 2BProgram acion%2B Arduino.pdf
Herrador, R. E. (28 de Abril de 2009). Guía De Usuario De Arduino. Obte nido de http://ww w.uco.es/aulasoftwarelibre /wpcontent/uploa ds/2010/05/Arduino_user_m an ual_es.pdf
M onasterio-Huelin, F. (06 de Octubre de 2016). Motor DC, etapa de potenc ia y PWM.
Obtenido de M otor DC, etapa de potencia y PW M :
http://ww w.robola bo.etsit.upm .es/a signaturas/seco/apuntes/aplicacion -M otorDC.pdf
PEIROTEN, R. A. (28 de Julio de 2013). Sistema domótico de una casa inteligente.
Obtenido de https://www.iit.com illas.edu/pfc/resum enes/51b998731bb57.pdf
Ebel. (2008). Libro técnic o Festo. M exico: Fonseca.
Santana, J. A., Sierra, J. M ., & Bravo, J. A. (2013). Automatism os Industriales.
M exico: Alfaom ega.
Andrès, A.A (2016). Dise ño e im plem entac iòn de un sistem a. sangolqui: San Josè
Prim era edición.
Bolton, W . (2013). MECATRÓNICA. Obtenido de
https://docs.google.com/file/d/0B750YZM-uweRZm1sWEI5LVRE VDQ/edit
M exico: Alfaom ega.
Coughlin F.Drisc oll (1993). Amplificadores operac ionales y circuitos integrados line ales.
Prentice-Hall H ispanoam ericana, S.A.
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8. ANEXO S
8.1. Código de programación para mover adelante, atrás y giro.
#define CUSTOM _SE TTINGS
#define INCLUD E_ORIE NTATIO N_SENS OR_SHIEL D #include <OneSheeld.h>
int R1 = 12; int R2 = 11; int R3 = 10; int R4 = 9; int R5 = 7; int R6 = 6; int R7 = 5; int R8 = 4; void setup() {
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void loop(){
if(Orienta tionSensor.ge tY() > 30 & & OrientationSensor.getZ() > -10 & & OrientationSensor.getZ() < 10){
digitalW rite(R1,LOW ); digitalW rite(R2,LOW ); digitalW rite(R3,HIGH); digitalW rite(R4,HIGH); digitalW rite(R5,LOW ); digitalW rite(R6,LOW ); digitalW rite(R7,HIGH); digitalW rite(R8,HIGH); }
if(Orienta tionSensor.ge tY() < -30 & & OrientationSensor.getZ() > -10 & & OrientationSensor.getZ() < 10){
digitalW rite(R4,LOW ); digitalW rite(R3,LOW ); digitalW rite(R2,HIGH); digitalW rite(R1,HIGH); digitalW rite(R8,LOW ); digitalW rite(R7,LOW ); digitalW rite(R6,HIGH); digitalW rite(R5,HIGH); }
if(Orienta tionSensor.ge tZ() > 30 & & OrientationSensor.getY() > -10 & & OrientationSensor.getY() < 10){
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digitalW rite(R8,LOW ); }
if(Orienta tionSensor.ge tZ() < -30 & & OrientationSensor.getY() > -10 & & OrientationSensor.getY() < 10){
digitalW rite(R4,LOW ); digitalW rite(R3,LOW ); digitalW rite(R2,HIGH); digitalW rite(R1,HIGH); digitalW rite(R8,HIGH); digitalW rite(R7,HIGH); digitalW rite(R6,LOW ); digitalW rite(R5,LOW ); }
if(Orienta tionSensor.ge tY() > -28 & & OrientationSensor.getY() < 28 & & OrientationSensor.getZ() > -28 & & OrientationSensor.getZ() < 28){
digitalW r ite(R4,HIGH); digitalW rite(R3,HIGH); digitalW rite(R2,HIGH); digitalW rite(R1,HIGH); digitalW rite(R8,HIGH); digitalW rite(R7,HIGH); digitalW rite(R6,HIGH); digitalW rite(R5,HIGH); } }
8.1.2. Program ación para encender una tira de Led con relé
#define CUSTOM _SE TTINGS
#define INCLUD E_T OGGL E_BUT TON _SHIELD #include <OneSheeld.h>
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{
pinM ode(ledBlanco,O UTPUT); OneSheeld.begin();
}
void loop() {
digitalW rite(ledB lanco,ToggleButton.getStatus()); }
8.1.3. Program ación con datos específicos
#define CUSTOM _SE TTINGS #define INCLUD E_LCD _SHIEL D #include <OneSheeld.h>
int An; void se tup() {
OneSheeld.begin(); LCD.begin(); LCD.clear(); }
void loop() {
LCD.hom e();
An=analogRead(A0);
36 8.1.4. Comprobación de la program ación
Figura 27. Com probación del prototipo
8.1.5. Construcción de eje en el torno
Figura 28. Construcción del eje para la llanta
8.1.6. Elaboración de chavetero en el eje de la llanta
37 8.1.7. Acople del piñón en el eje del motor
Figura 30 .Piñón en el eje del m otor
8.1.7.Acople de piñón en el eje de la llanta
Figura 31. Acople del piñón en el eje
8.1.8.Ensamblaje de piezas vista preliminar
38 8.1.9.Base de tubo de 1”1/4
Figura 33. Construcción de base con tubo de 1‖1/4
8.1.10.Base para alojar las chumaceras
Figura 34. Construcción de la base para las chum aceras
8.1.11.Fijación de las llantas en la base
39 8.1.12.Ensamblaje de los motores y llantas
Figura 36. M ontaje en la base
