Detector de Proximidad, Apuntes de Electrónica

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PROYECTO DE

APLICACIÓN

Detector de proximidad

Rubén Campos Altur Gabriel Ruff Cano Jonathan Valenzuela Del Fresn

Detector de proximidad

Resumen

El objetivo de este proyecto es el de crear un sistema que sea capaz de reconocer un obstáculo dentro de su ángulo de cobertura, cuyo principio físico se basa es la reflexión. Partiendo de nuestros conocimiento en la electrónica y utilizando algunos de los componentes que encontramos en el mercado hemos conseguido hacer un dispositivo que nos indica cuando hay un obstáculo en una proximidad menor de medio metro. Para este proyecto hemos necesitado consultar diferentes fuentes, tanto de libros como en Internet. Partiendo de las características técnicas de cada componente hemos creado diferentes bloques que realizan cada uno de los procesos internos que encontramos en el detector de proximidad. Dichos bloques están explicados individualmente en esta memoria donde encontramos su funcionalidad y esquemática, análisis y lista de materiales utilizados. El plantear el proyecto en diferentes bloques nos ha ayudado en el montaje del circuito final ,y sobretodo, en la detección de errores y su posterior solución.

Introducción

El elemento clave en este proyecto de aplicación es el sensor infrarrojo. El sensor infrarrojo es un dispositivo electrónico capaz de medir la radiación electromagnética infrarroja de los cuerpos en su campo de visión. Todos los cuerpos reflejan una cierta cantidad de radiación, esta resulta invisible para nuestros ojos pero no para estos aparatos electrónicos,ya que se encuentran en el rango del espectro justo por debajo de la luz visible. En la actualidad, muchos productos de la electrónica de consumo utilizan la luz infrarroja como un medio transmisor de información o control a distancia. Campos como la domótica o la robótica han encontrado otra aplicación: la detección de objetos próximos. El principio de funcionamiento es sencillo, pues se necesita una fuente de luz infrarroja y un detector que sea capaz de discriminar si la luz detectada proviene de nuestra fuente de luz o no, y si es conveniente, realizar alguna acción. Un ejemplo de aplicación práctica la podemos encontrar en los lavabos de muchos centros comerciales, donde la activación de la llave de agua para lavarnos las manos se realiza con esta técnica. Centrándonos en nuestro proyecto, la detección de objetos consistirá en emitir continuamente un faz de luz infrarroja, la cual reflectará en algún objeto y llegará al receptor, el cual interpretará que delante suyo tiene un obstáculo. Esta señal nos permitirá que el circuito reaccione de alguna manera. En nuestro caso, un LED rojo nos avisará de dicho obstáculo.

Estado Trigger Umbral S R Salida Descarga A menor VCC/3 menor 2VCC/3 1 0 VH abierto B menor VCC/3^ mayor 2VCC/3 1 1 estado anterior estado anterior C mayor VCC/3 menor 2VCC/3 0 0 estado anterior estado anterior D mayor VCC/3 mayor 2VCC/3 0 1 VL masa Existen diferentes configuraciones para trabajar con el timer 555, pero la que nos interesa es la astable, la cual se consigue distribuyendo dos resistencias y dos condensadores como la figura 3:

R

R

C

C

R

R

R

reset clear set Q Q' Vref 3 4 1 2 6 5 7 8 Vcc = 9V Vo Figura 2. Esquema interno del LM555 y sus estados 1.- Tierra (GND) 2.- Trigger 3.- Salida 4.- Reset 5.- Control de voltaje 6.- Umbral 7.- Descarga RST SET Q 0 0 Q - 0 1 1 1 0 0 1 1 Q +

La función de este bloque es la de generar una señal cuadrada de 0V a 9V con una frecuencia de 10 kHz, la que posteriormente llegara al emisor IR.

Análisis

Para poder diseñar el circuito astable partimos del requisito de la frecuencia, 10 kHz. Sabemos que la formula para calcular la frecuencia es: f =

T

C 1 ( R 1 + 2 R 2 )

= 10 kHz Escogemos R 1 , R 2 y C 1 que cumplan dicha condición: R 1 = 68 k Ω R 2 = 39 k Ω C 1 = 1 nF f ' =

T

C 1 ( R 1 + 2 R 2 )

= 9 , 926 Hz Pero para que el astable trabaje de forma óptima queremos que trabaje con un ciclo de trabajo superior al 50%, por lo tanto necesitamos saber cada uno de los TH y TL (figura 4): TH = 0 , 69 ( R 1 + R 2 ) C 1 = 7 , 383 ⋅ 10 − 5 s TL = 0 , 69 R 2 C 1 = 2 , 691 ⋅ 10 −^5 s Por lo tanto, ya podemos calcular el ciclo de trabajo: DC (%) =

TH

T

Vcc = 9V Vo

R

R

C2 C

4 8 7 1 2 5 4 6 Figura 3. Esquema del circuito astable con LM

Material

Nombre Componente Precio € U1 LM555 de National 0,20 € R1 Resistencia de 68 k Ω (^) de 1/4W 0,08 € R2 Resistencia de 39 k Ω (^) de 1/4W 0,20 € C1 Condensador poliéster 1 nF 0,20 € C2 Condensador poliéster 10 nF 0,20 €

Emisor IR

Consiste básicamente en un LED infrarrojo. Hemos tenido en cuenta la limitación de disipación de potencia y de corriente que indique el fabricante, para no dañar el dispositivo, así como las características de salida del 555.

Funcionalidad y esquemática

El emisor IR es un diodo emisor de luz infrarroja y su funcionamiento es muy parecido al de un diodo normal. Su misión en el circuito es la de emitir el señal del astable hacia el bloque receptor. Esta emisión se hará por el método de la reflexión, el emisor enviará la señal hacia en punto, y cuando algún objeto reflecte la señal lo recibirá el receptor. El diodo es un componente que se comporta de forma no lineal. El diodo deja pasar la corriente en un sentido y lo bloquea en el sentido contrario. Al circular corriente por el diodo se puede apreciar una caída de tensión V γ. Cuando esto sucede decimos que el diodo se encuentra en zona directa, y por lo tanto deja pasar corriente. El componente que utilizaremos es el CQY37, un pequeño diodo emisor de luz infrarroja de arseniuro de galio (GaAs) de Vishay Telefunken.

Análisis

Según el Datasheet proporcionado por el fabricante, el CQY37 tiene las siguientes características y limitaciones:

• Potencia de disipación: 170mW
• Intensidad máxima: 100mA
• Caída de tensión^ V^ γ^ : 1,3 - 1,6V Las cuales son necesarias para para poder calcular R3, con el fin de limitar la corriente y no quemar el emisor IR. El circuito quedaría tal como se muestra en la figura 5.

Estos son los cálculos necesarios para escoger R3: Vin = Vp 2

9 V

= 6 , 36 V

Vin = V 3 + V γ → V 3 = Vin − V γ = 6 , 36 − 1 , 45 = 4 , 91 V R 3 = Vin − V γ I max

4 , 91 V

100 mA

Por lo tanto, escogeremos: R 3 = 56 Ω P 3 =

( V 3 )^2

R 3

( 4 , 91 )^2

= 430 mW A diferencia del resto de resistencias que utilizaremos, esta sobrepasa el cuarto de W, con lo cual, utilizaremos una de 1W.

Material

Nombre Componente Precio € R3 Resistencia de 56 Ω (^) de 1/4W 0,22 €/5 u D1 Fotodiodo CQY37 de Vishay Telefunken 0,20 €

Detector IR

Para este bloque podíamos utilizar tanto un fototransmisor como un fotodiodo. Existen diferentes alternativas para la ampliación de la corriente del dispositivo, pero en cualquier caso, resulta conveniente que la tensión de salida tenga al menos 1Vpp cuando se detecta la proximidad de un objeto.

Funcionalidad y esquemática

Nosotros hemos escogido el fototransistor BPW85. Es quien se encarga de recibir la luz infraroja del primer bloque emisor. Su funcionamiento es muy parecido al de cualquier transistor NPN, está compuesto por dos partes: un fotodiodo y un transistor NPN (figura 6) Figura 5. Esquema del circuito emisor

R

D

Vin )))

Material

Nombre Componente Precio € R4 Resistencia de 4,7 k Ω (^) de 1/4W 0,08 € T1 Fototransistor BPW85 de Vishay Telefunken 0,24 €

Amplificador

El siguiente bloque consta de un amplificador operacional que nos servirá para poder hacer “detectable” la señal cuando esta pase, posteriormente, al detector de frecuencia. El amplificador que hemos escogido es un TL074CN de ST Microelectronics.

Funcionalidad y esquemática

La función de este bloque tiene la función de amplificar la señal proveniente del Detector IR, lo cual es un factor fundamental para mejorar la distancia de detección. Cuanto más amplifiquemos la señal, más lejos podrá detectar nuestro sistema los objetos que e interpongan en nuestro detector de proximidad.

Análisis

Nuestro planteamiento inicial es el de ampliar de 0 a 40dB, y como ya hemos dicho, utilizaremos un TL074CN de ST Microelectronics, el cual tendrá una alimentación bipolar (figura 6). Como podemos ver, a la entrada le hemos puesto un condensador a modo de filtro, para eliminar las componentes continuas que pudieran venir del Detector IR. Para encontrar los valores de las resistencias hemos hecho los siguientes cálculos: G ( dB ) = 0 dB → 10 (^0 ) = 1 G ( dB ) = 0 dB → 1040 = 100 Figura 6. Esquema del circuito amplificador

R5 R

C

+Vcc -Vcc Vin Vout

R 5 = 1 k Ω G min imo =

R 6

R 5

R 6

1 k Ω = 1 → R 6 = 1 k Ω Gmáximo =

R 6

R 5

R 6

1 k Ω = 100 → R 6 = 100 k Ω

Material

Nombre Componente Precio € AO AO TL074CM ST Microelectronics 0,26 € R5 Resistencia de 1 k Ω (^) de 1/4W 0,08 € R6 Resistencia potenciometro de 100 k Ω (^) de 1/4W 0,12 € C3 Condensador poliéster 100 nF 0,25 €

Detector de frecuencia

El siguiente bloque esta basado en un detector de tonos (frecuencia). Los requerimientos específicos para este bloque son los siguientes, se ha de activar la salida cuando se reciba una señal de 10 kHz y se ha de conectar un LED y su resistencia a la salida cuando se realice la detección del objeto.

Funcionalidad y esquemática

La función principal de este bloc es encender un LED a la salida del detector de tonos, cuando a la entrada tengamos una señal de frecuencia a 10 kHz. El componente que utilizaremos es el LM National. El componente esta basado en un descodificador de tonos (frecuencia). En el integrado LM567 entra la señal proveniente del amplificador por el pin 3, a continuación esta señal es comparada con la frecuencia determinada del integrado. Esta frecuencia determinada dependerá de una resistencia y un condensador en los pines 5 i 6 que realizan la función de un filtro paso banda. Cuando esta condición se cumpla el pin 8 se activará a nivel lógico “0”. La salida en estado normal tenemos un “1” (o sea un positivo) y cuando coincidan las frecuencias tendremos un “0” (o sea una masa) a la salida. Figura 7. Esquema del detector de frecuencia

LM

R

R7 R

C

D

C5 C5 C

C

4 8 7 1 2 5 3 6

+5V

Vin +5V

Material

Nombre Componente Precio € R7 Resistencia potenciometro de 10 k Ω (^) de 1/4W 0,20 € R8 Resistencia 4,7 k Ω (^) de 1/4W 0,08 € R9 Resistencia 470 k Ω (^) de 1/4W 0,08 € C4 Condensador poliéster 10 nF 0,05 € C5 3 x Condensador poliéster 100 nF 0,18 € C6 Condensador poliéster 1 nF 0,05 € C7 Condensador poliéster 100 nF 0,05 € C8 Condensador poliéster 330 nF 0,05 € I1 Detector de tonos LM567 0,20 € I2 Regulador 78L05 0,20 € D1 Resistencia 4,7 k Ω (^) de 1/4W 0,08 € D3 LED rojo 0,08 €

Sistema completo

555 R1^ R2 C C 4 8 7 2 1 3 5 6 R D )) )

R R C +Vcc^ -Vcc R D ) ) ) LM R R R C D 4 8 7 2 1 5 6 3 78L IN OUT C C C C C C

Detector IR: Valores medidos y comparación con los valores teóricos.

La siguiente figura muestra la salida del detector IR cuando este está a unos 2cm del emisor IR y sin ningún obstáculo por en medio. Como previmos, la señal obtenida es muy debil, de muy pocos mV (80,0mV) y una frecuencia de 9,45kHz. La frecuencia ha bajado levemente del valor fijado de referencia (10,0kHz), pero nada preocupante por el momento. Ahora lo que necesitamos es ampliar esta señal para que el resto del circuito puedan trabajar con ella.

Amplificador: Valores medidos y comparación con los valores teóricos.

Esto es lo que hemos obtenido a la salida del amplificador, con la señal del detector IR a la entrada. Como vemos la señal ya no tiene tanto ruido y la frecuencia es de 10,06 kHz, la cual sigue muy cerca de lo establecido en el astable. Por otro lado, vemos que la amplificación no es la esperada, ya que estando de máxima amplificación, ésta sólo llega a 60. Nuestra previsión había sido de amplificación 100, esto nos ha afectado en la distancia de alcance del detector, uno de nuestros problemas en la exposición oral, ya que solo conseguimos llegar a los 25 cm de distancia.

Detector frecuencia: Valores medidos y comp. con los valores teóricos.

En este bloque hemos medido el ancho de banda en el cual el LED permanece encendido. Para ello hemos ido cambiando el estado del potenciometro R7 hasta que el se ha apagado, y luego se ha vuelto a encender. El resultado obtenido ha sido el siguiente: BW = 10,7kHz - 9,8kHz = 900 Hz, un poco superior a 756,6 Hz calculados teóricamente. Este inconveniente se suma al del amplificador, y creemos que es otro de los motivos por el cual, la distancia de detección era tan corta.

Diseños alternativos

Debido a la falta de tiempo, no hemos podido realizar algunos de los diseños alternativos que teníamos pensados. En el informe donde se explicaba como realizar el proyecto, explicaba que en el bloque detector debía de aparecer una de las dos alternativas propuesta, pero por error nuestro lo mal interpretamos y simplemente utilizamos el amplificador que hemos descrito. Por lo tanto, podríamos considerar diseños alternativos las alternativas 1 y 2. Alternativa 1 (alimentación simétrica en el receptor) : Filtro HPF y Comparador de histéresis. Si se utiliza alimentación simétrica para el bloque detector, será del tipo pasivo de un solo polo con una frecuencia de corte a –3 dB de 1 Hz, para que no nos afecte el nivel de continua producto de la luz ambiental. Es recomendable colocar un seguidor de tensión a la salida del filtro, para evitar posibles efectos de carga de la entrada de la etapa siguiente. El comparador de histéresis se basará en amplificador operacional con realimentación positiva, y con alimentación simétrica. Servirá para intentar recuperar una forma de onda cuadrada a la salida del bloque, lo cual será conveniente para luego poder verificar que la frecuencia recuperada sea de 10 kHz. Las tensiones de transición deben escogerse de tal manera que no nos afecte el ruido e interferencias que puedan presentarse cuando no hay señal captada. Alternativa 2: Comparador de histéresis con tensión de referencia. (Para alimentación unipolar). El objetivo sigue siendo recuperar una onda cuadrada de 10 kHz, pero sin necesidad de eliminar la tensión continua de la señal del detector IR. Se requerirá entonces añadir una tensión de referencia variable al comparador, permitiéndonos así cambiar a voluntad el centro del lazo de histéresis y adaptarlo al nivel de continua que contenga la señal del detector.