MICROHELICOPTEROS EMISORES DE LUZ SINCRONIZADOS PARA SER UTILIZADOS

EN CENTROS NOCTURNOS

por

Aldo Omar Moreno Medina

Adrian González Villegas

Presentado a la academia de Sistemas Digitales y Comunicaciones

del Instituto de Ingeniería y Tecnología de

La Universidad Autónoma de Ciudad Juárez

para su evaluación

LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ

Marzo del 2010

Alejandra Mendoza Carreón Presidente de la academia

___________________________________________

Diego Alberto Arenivar Díaz Asesor

___________________________________________

Aldo Omar Moreno Medina Alumno

___________________________________________

Adrian Gonzalez Villegas Alumno

___________________________________________

INTRODUCCION

En los centros nocturnos para hacer la noche más divertida y amena, a demás de una buena música, existen luces de neón, luces de laser, cañones de luz, luces inteligentes las cuales son las que se mueven al compas de la música y de los ritmos de la pista de baile, maquinas de humo, gente que crea personajes como modo de diversión extra, y todo esto con un fin, que la persona que visite ese lugar tienda a regresar, ya que se siente atraído por la toda la tecnología que hoy en día se puede tener al alcance.

Este prototipo que se pretende realizar, se desenvolverá en los ambientes nocturnos y de preferencia cerrados, ya que son varios objetos voladores sincronizados que contienen un led ultra luminoso. Esta idea nace de crear un ambiente diferente en el cielo, ya sea dentro de algún centro de diversión, un antro, un concierto, o donde se puedan apreciar lo que estos dispositivos pueden mostrarle a los espectadores.

ANTECEDENTES

En la actualidad existen una infinidad de mini helicópteros manejados por control remoto. Uno de ellos es el Piccoz. Estos aparatos los controlas por medio de un transmisor infrarrojo, donde le mandas las instrucciones a donde lo quieres dirigir. Contienen unos potentes motores livianos que se alimentan de una batería de litio recargable, con una duración de 10 minutos con solo una carga rápida. (Figura 1)

El proyecto Flyfire del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), utiliza micro helicópteros controlados remotamente y auto organizados con la ayuda de microcontroladores. Cada

Figura 1: Helicóptero Piccoz

helicóptero contiene pequeños leds que actúan como un pixel inteligente. Controlados mediante movimientos digitales, estos dispositivos pueden crear cualquier coreografía sincronizadamente generando formas únicas tridimensionales en el espacio (Figura 2).

Figura 2: Proyecto Flyfire del MIT.

Usando tecnología de control preciso y auto estabilización desarrollada por ARES LAB del MIT, el movimiento de pixeles es adaptable en tiempo real. El proyecto Flyfire puede transformar una figura bidimensional a una forma articulada (Figura 3).

Figura 3: Forma Articulada de Flyfire.

Lo que se pretende crear son unos objetos voladores que sean autómatas, cargándoles un programa en el micro controlador que les instruya como desplazarse en el espacio, detectar que no vallan a chocar con otro dispositivo que este a su lado y que el led ultra luminoso encienda las tonalidades que tu desees, y todo esto se lo mandaríamos a los motores

ultralivianos y a todos los dispositivos que se utilicen en conjunto con el objeto volador con la ayuda de la modulación PWM.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Adaptar a un micro helicóptero una rutina, mediante un microcontrolador y con ayuda de PWM (Pulse Wide Modulation) manipular el movimiento, estabilidad, sincronización y las tonalidades de los Leds (RGB), para crear coreografías con varios helicópteros.

MARCO TEORICO

Actualmente, existen dispositivos que se encargan de controlar uno o más procesos y se pueden integrar en un pequeño chip. Esto es lo que hoy conocemos con el nombre de micro controlador. La utilización de este componente requiere de un periodo de aprendizaje relativamente largo, pero al entender como los puedes utilizar, puedes crear lo que se te pueda imaginar, ya sea desde controlar la iluminación de un cuarto de tu casa hasta enviar un cohete a la luna.

Un micro helicóptero que pesa 9 gramos. Se trata de un helicóptero (que cabe en la palma de la mano) dirigido por infrarrojos, con lo que el alcance no es muy grande, unos 10 metros, y prácticamente irrompible.

Es perfecto para volar en interiores, además que en el exterior por poco viento que haga al pesar tan poco lo desestabiliza. Tiene una autonomía de unos 8 minutos y unos 10 - 15 de carga. Se carga a través de las pilas del mando.

Indicaciones básicas para volar el helicóptero.

• Si la cabina del helicóptero empieza a girar sobre sí misma durante el vuelo, apretar repetidamente el botón de strim. Esto lo estabilizará.

• Debes de poner peso en el morro (los que trae el helicóptero por defecto no son suficiente) Utiliza chinchetas o clips. Si no pones, el helicóptero sólo subirá y bajará, pero nunca irá hacia delante.

• A la hora de girar, no lleves el mando inmediatamente a los extremos.

MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA (DC)

El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotatorio. En la actualidad existen nuevas aplicaciones con motores eléctricos que no producen movimiento rotatorio, sino que con algunas modificaciones, ejercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen como motores lineales.

PWM

La modulación por ancho de pulsos (MAP o PWM, siglas del inglés Pulse-Width Modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una sinusoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

La construcción típica de un circuito PWM se lleva a cabo mediante un comparador con dos entradas y una salida. Una de las entradas se conecta a un oscilador de onda dientes de sierra, mientras que la otra queda disponible para la señal moduladora. En la salida la frecuencia es generalmente igual a la de la señal dientes de sierra, y el ciclo de trabajo está en función de la portadora.

JUSTIFICACION

De acuerdo a los antecedentes encontrados en la red, nos dimos cuenta que esos dispositivos voladores necesitan de una persona o varias personas que mediante un radio control o un ordenador les envíen instrucciones vía infrarroja o bluetooth, para que se muevan, coordinen, dirijan o de acuerdo a las necesidades que se tengan.

Lo que se propone en este proyecto es manejar estos objetos voladores, donde se le llamaran mini helicópteros, será que mediante un micro controlador cargarle un programa donde se le den todas las instrucciones necesarias para que vuelen de manera adecuada, sincronizando los movimientos de arriba abajo y de lado a lado, también contara un con led ultra luminoso RGB, el cual se le podrá dar la tonalidad que se desee. Todo esto se hará mediante la

modulación PWM (Pulse Wide Modulation), el controlador que se va a utilizar es el MC9S08QG8 de la familia FreeScale y en sus característica ya contiene el modulo que se requiere para realizar la programación.

OBJETIVO GENERAL

Estudiar el funcionamiento, diseñar y construir prototipos de micro helicópteros para controlar una secuencia a través de microcontroladores utilizando modulación por ancho de pulso.

METODOLOGIA

Objetivos Específicos:

• Llevar a cabo una investigación de la tecnología sobre microcontroladores, PWM, y

micro helicópteros.

• Localizar partes y material necesario para el proyecto.

• Aprender el manejo de software para el uso del micro controlador.

• Realizar el diseño de helicópteros.

• Construir el prototipo.

• Realizar pruebas de vuelo y sincronización.

• Documentar el proyecto.

• Presentación del proyecto en examen.

Etapa: Diseño

1. Llevar a cabo una investigación de la tecnología sobre microcontroladores, PWM, y micro

helicópteros.

1.1. Investigación sobre microcontroladores

Actividad 1.1.1: Investigación de microcontroladores

Requerimiento: funcionamiento de MC9S08QG8.

Actividad 1.1.2: investigación sobre PWM

Requerimiento: Funcionamiento sobre PWM.

Requerimiento: modulo TPM del MC9S08QG8...

Actividad 1.1.3: Helicóptero

Requerimiento: Partes que conforman los helicópteros

1.2. Meta 2: Partes y material del proyecto

Actividad 1.2.1: Materiales del helicóptero

Requerimiento: Buscar proveedores de micro helicópteros.

Actividad 1.2.2: Conseguir tarjeta MC9S08QG8.

Requerimiento: buscar proveedor.

2. Realizar el diseño de helicópteros.

2.1. Meta 1: Diseñar funcionamiento del helicóptero

Actividad 2.1.1: Necesidades físicas

Requerimiento: peso, moldes

Actividad 2.1.2: Realizar diseños preliminares

Requerimiento: Integración del micro controlador

Etapa: Construcción

3. Construir prototipo.

3.1. Meta 1: construir prototipo de helicóptero

Actividad 3.1.1: Mejorar diseño

Actividad 3.1.2: Sincronizar con el micro

Requerimiento: realización del software para control.

Actividad 3.1.3: Realizar más Micro helicópteros para sincronizar

Etapa: Pruebas

4. Realizar pruebas del proyecto.

4.1. Sincronización

Actividad 4.1.1: probar la sincronización con varios prototipos

Actividad 4.1.2: Perfeccionar desperfectos

5. Documentación.

5.1. Documentación

Actividad 5.1.1: Revisar el documento a entregar

Requerimiento: Revisiones del asesor

Actividad 5.1.2: Revisar ortografía.

Actividad 5.1.3: Revisar la documentación de forma correcta.

Actividad 5.1.4: Imprimir documento.

6. Presentación.

6.1. Diseño de presentación.

CALENDARIZACION

Febrero Marzo Abril MayoEtapa:Diseño

Semanas Semanas Semanas Semanas

Actividad1.1.1 1

Actividad1.1.2 2 3

Actividad1.1.3 4 1 2

Actividad1.2.0 3 2

Actividad1.2.1 3 2

Actividad1.2.2 3

Actividad2.1.0 4 1 2

Actividad2.1.1 3

Actividad2.1.2 3

Agosto SeptiembreEtapa:

ConstrucciónSemanas Semanas

Actividad3.1.0 1 2

Actividad3.1.1 1 3 4

Actividad3.1.2 1 2

Actividad3.1.3 3 4

REFERENCIAS

http://www.neoteo.com/flyfire-leds-en-el-cielo-mit.neo Marzo del 2010.

http://www.unicrom.com/Tut_PICs1.asp Marzo del 2010.

http://es.wikipedia.org/wiki/Modulaci%C3%B3n_por_ancho_de_pulsos Marzo del 2010.

http://www.ikkaro.com/microhelicoptero-radiocontrol Marzo del 2010.

http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC9S08QG8.pdf Marzo del 2010.

http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua Marzo del 2010.

Octubre NoviembreEtapa:Pruebas

Semanas Semanas

Actividad4.0.0 1

Actividad4.1.0 1

Actividad4.1.1 2

Actividad4.1.2 2

Actividad5.0.0 3

Actividad5.1.1 4

Actividad5.1.2 4

Actividad5.1.3 1

Actividad5.1.4 2

Actividad6.0.0 3

Actividad6.1.0 4

i

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ

“MINIHELICÓPTEROS CON EMISORES DE LUZ SINCRONIZADOS PARA ENTRETENIMIENTO EN

CENTROS NOCTURNOS”

Reporte técnico de proyecto de titulación elaborado por:

Aldo Omar Moreno Medina

Adrián González Villegas

Requisito para la obtención del título de

INGENIERO EN SISTEMAS DIGITALES Y COMUNICACIONES

Presentado a la Academia de Sistemas Digitales y Comunicaciones

del Instituto de Ingeniería y Tecnología de la

Universidad Autónoma de Ciudad Juárez

Noviembre de 2010

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ Instituto de Ingeniería y Tecnología

EVALUACiÓN DE EXAMEN Fecha: 29 de Noviembre del 2010 PROFESIONAL INTRACURRICULAR Horario: 19:00 - 21 :00 HRS. NIVEL: LICENCIATURA

TEMA: "Microhelicopteros emisores de luz sincronizados para ser utilizados en centros nocturnos"

Lo evaluación del examen profesional intracurricular consto de 4 partes: (Desarrollado en 1 hora)

1a._ Exposición por parte de los alumnos (máximo 20 minutos), 2a

,_ Réplica por parte del jurado, 3a

,_ Comentarios y/o recomendaciones, 4a

._ Entrego de resultados.

Nombre del alumno: Aldo Ornar Moreno Medina

2 1 'l~Calificación Maestro de la materia (30%)

Calificación Director de Trabajo (40%)

Calificación del Jurado (30%)

TOTAL

Se recomiendo que el documento se deposite paro consulto en lo BIBLIOTECA SiD NoD

Director de Trabajo Jurado Coordinador de lo Materia "Proyecto de Titulación"

Miro. Lidio Horfencia Rósc6n Madrigal D' ;/j;;["~óc Ing. Ismael nales Valdiviezo

NG DEPA r

FIRMADO EN ORIGINALFIRMADO EN ORIGINAL

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ Instituto de Ingeniería y Tecnología

EVALUACIÓN DE EXAMEN Fecha: 29 de Noviembre del 2010 PROFESIONAL INTRACURRICULAR Horario: 19:00 - 21 :00 HRS. 1\jIVEL: LICENCIATURA

TEMA: "Microhelicopteros emisores de luz sincronizados para ser utilizados en centros nocturnos"

Lo evaluación del examen profesional intracurricular consta de 4 partes: (Desarrollado en 1 hora)

1°._ Exposición por parte de los alumnos (máximo 20 minutos). 2°._ Réplica por parte del jurado. 3°._ Comentarios ylo recomendaciones. 4°._ Entrega de resultados.

Nombre del alumno: Adrian González Villegas

Calificación Maestro de la materia (30%) 3 O l.

Calificación Director de Trabajo (40%)

Calificación del Jurado (30%)

TOTAL

Se recomienda que el documento se deposite paro consulta en la BIBLIOTECA Si O NoO

Director de Trabajo Jurado Coordinador de la Materia "Proyecto de Titulación"

Mira. Lidia Hortenckscon Madrigal

Ing. Ismael Can les Valdiviezo

D,~",móc

FIRMADO EN ORIGINAL

ii

Declaración de Originalidad

Por la presente se afirma con carácter de declaración jurada que

Adrián González Villegas y Aldo Omar Moreno Medina son los únicos

autores del proyecto de titulación presentado, el cual es por ende original

en su formulación conceptual, procedimientos de investigación, desarrollo

del dispositivo volador, análisis de los resultados y conclusiones.

Adrián González Villegas

Aldo Omar Moreno Medina

iii

Dedicatorias y Reconocimientos

Dedico este proyecto a mi familia y a mi novia que siempre me han

apoyado incondicionalmente en todos los momentos que he vivido a lo

largo de toda la carrera. También a mis grandes amigos, compañeros,

maestros que me han acompañado a lo largo de toda mi vida

universitaria.

Quiero agradecer de una manera especial al asesor y al profesor

del proyecto, ya que por sus grandes conocimientos, habilidades y el gran

apoyo que nos brindaron, se hizo posible terminar este trabajo y así poder

obtener el título de ingeniero. También agradecer a mi compañero que

durante este todo este semestre, después de mucho estrés y muchas

horas invertidas en el proyecto, logramos sacarlo adelante y de manera

formidable.

Adrián González Villegas

El presente proyecto es un esfuerzo en el cual, directa o indirectamente,

participaron varias personas leyendo, opinando, corrigiendo, teniéndome

paciencia, dando ánimo, acompañando en los momentos de crisis y en los

momentos de felicidad.

Agradezco al M.C. Francisco Javier Enríquez por haber confiado en

mi persona, por la paciencia y por la dirección a este trabajo. Al Dr. Héctor

Garcés por los consejos, el apoyo y el ánimo que me brindó en la

elaboración de este proyecto y sus atinadas correcciones. Gracias

también a mi compañero Adrián González Villegas, que me apoyo y me

permitió entrar en su vida durante estos casi 4 meses de convivir dentro y

fuera del salón de clase.

iv

A mis padres, a mis hermanos, a mi abuelita y amigos que me

acompañaron en esta aventura que significó la universidad y que, de

forma incondicional, entendieron mis ausencias y mis malos momentos, y

que desde un principio hasta el día hoy siguen dándome ánimo para

concluir esta etapa.

A todos Gracias.

Aldo Omar Moreno Medina

v

Lista de Tablas

Tabla 2.1 Clasificación del espectro electromagnéticos…………………….4

Tabla 2.2 Diferencias entre los protocolos Bluetooth y ZigBee…………….7

Tabla 7.1 Tramas de datos……………………………………………………36

vi

Lista de Figuras

Figura 2.1 Módulo nRF24L01………………………………………………….8

Figura 2.2 Envío de datos nRF24L01…………………………………………8

Figura 2.3 Módulo RF-IS0003………………………………………………….9

Figura 2.4 Pines externos del módulo RF-IS0003………………………….10

Figura 3.1 Arquitectura Von Neumann………………………………………13

Figura 3.2 Diagrama de bloques del MC9S08QG8………………………...14

Figura 3.3 Pines externos MC9S08QG8…………………………………….15

Figura 3.4 Modulación de Ancho de Pulso………………………………….16

Figura 3.5 Tablilla DEMO9S08QG8………………………………………….17

Figura 4.1 Acelerómetro MMA7660………………………………………….21

Figura 4.2 Protocolo I²C…….………………………………………………...22

Figura 4.3 PCB del acelerómetro…………………………………………….23

Figura 4.4 Maquina cortadora de la empresa LPKF………………….……24

Figura 4.5 Horno para circuitos eléctricos…………………………………..25

Figura 5.1 MAX3218…………………………………………………………..27

Figura 5.2 MOSFET……………………………………………………………28

Figura 6.1 Diagrama de Bloques del proyecto……………………………...31

Figura 6.2 Diagrama de estados……………………………………………..33

Figura 7.1 Estudio del helicóptero……………………………………………34

Figura 7.2 Pruebas en el helicóptero………………………………………...35

Figura 7.3 Diagrama de bloques del transmisor……………………………37

Figura 7.4 Diagrama de bloques del receptor………………………………39

Figura 7.5 Comunicación inalámbrica entre la PC y MC9S08QG8………40

Figura 7.6 Comunicación entre MC9S08QG8………………………………41

Figura 7.7 Comunicación entre MC9S08QG8 con botones……………….41

vii

Contenido Declaración de Originalidad ........................................................................................... ii

Dedicatorias y Reconocimientos................................................................................... iii

Lista de Tablas ................................................................................................................. v

Lista de Figuras ................................................................................................................vi

Contenido ......................................................................................................................... vii

Capítulo 1 .......................................................................................................................... 1

Introducción ....................................................................................................................... 1

Capítulo 2 .......................................................................................................................... 3

Comunicaciones inalámbricas a corta distancia ......................................................... 3

2.1 Protocolos de Comunicación ............................................................................... 4

2.3 Módulos de radiofrecuencia ................................................................................. 7

Capítulo 3 ........................................................................................................................ 11

Microcontroladores......................................................................................................... 11

3.1 Microcontroladores MC9S08QG8 ..................................................................... 11

3.2 Modulación por ancho de pulsos PWM ............................................................ 15

3.3 Programación del Microcontrolador .................................................................. 16

Capítulo 4 ........................................................................................................................ 19

Acelerómetros ................................................................................................................. 19

4.1 Acelerómetro MMA7660FCR1 .......................................................................... 20

4.3 Circuito del acelerómetro MMA7660FCR1 ...................................................... 22

Capítulo 5 ........................................................................................................................ 26

Dispositivos Electrónicos Adicionales ......................................................................... 26

5.1 MAX 3218 ............................................................................................................. 26

5.2 MOSFET ............................................................................................................... 28

5.3 Diodo Emisor de Luz (LED) ............................................................................... 29

Capítulo 6 ........................................................................................................................ 31

Descripción del minihelicóptero ................................................................................... 31

viii

Capítulo 7 ........................................................................................................................ 34

Resultados ...................................................................................................................... 34

7.1 Pruebas en el helicóptero ................................................................................... 34

7.2 Pruebas con la comunicación inalámbrica ...................................................... 36

Capítulo 8 ........................................................................................................................ 42

Conclusiones................................................................................................................... 42

Referencias ..................................................................................................................... 44

1

Capítulo 1

Introducción

En los centros nocturnos para hacer la noche más divertida y amena, a

demás de una buena música, existen luces de neón, luces de laser,

cañones de luz, luces inteligentes las cuales son las que se mueven al

compás de la música y de los ritmos de la pista de baile, máquinas de

humo, gente que crea personajes como modo de diversión extra, y todo

esto con un fin, que la persona que visite ese lugar tienda a regresar, ya

que se siente atraído por la tecnología que hoy en día se puede tener al

alcance.

El prototipo a realizar en este proyecto, se desenvolverá en los

ambientes nocturnos y de preferencia cerrados, ya que son varios objetos

voladores sincronizados que contienen un diodo emisor de luz LED (Light

Emisor Diode) ultra-luminoso. Esta idea nace de crear un ambiente

diferente en el cielo, ya sea dentro de algún centro de diversión, un antro,

un concierto, o donde se puedan apreciar lo que estos dispositivos

pueden mostrarle a los espectadores.

Adaptar a un mini-helicóptero una rutina, mediante un micro

controlador y con ayuda de modulación de ancho de pulso PWM (Pulse

Width Modulation) manipular el movimiento, estabilidad, sincronización y

las tonalidades de los leds RGB (Rojo, Verde y Azul), para crear

coreografías con varios helicópteros.

2

Se trata de un mini-helicóptero (que cabe en la palma de la mano)

dirigido por radiofrecuencia, por lo que tiene un buen rango de alcance, de

unos 30 metros, y prácticamente inmune a interferencias

Los objetivos específicos que se tienen en este proyecto son

mejorar la estabilidad del helicóptero asimismo controlar el movimiento de

las hélices mediante PWM, también con el apoyo de módulos

inalámbricos de radiofrecuencia, crear una interfaz inalámbrica entre el

helicóptero y el usuario y por último, controlar un diodo led RGB. Todo lo

anterior con el propósito de entretenimiento de las personas dentro del

centro nocturno.

3

Capítulo 2

Comunicaciones inalámbricas a corta distancia

En las últimas décadas, se han desarrollado diversas formas de

comunicación, teniendo la posibilidad de establecer enlaces por medio de

redes alámbricas e inalámbricas. Esta facilidad genera una nueva

necesidad que es la de comunicarse de manera personal y en cualquier

lugar que se desee. El modelo de comunicaciones punto a punto está

pasando a ser de persona a persona, para poder lograr esto es necesario

que se pueda establecer una comunicación desde cualquier punto donde

pueda uno encontrarse, implicando que esta debe de ser de forma

inalámbrica y que no dependa de ningún otro sistema para que pueda

conectarse en puntos específicos porque esto limitaría la movilidad del

usuario.

A causa de una sociedad como la actual, en donde las personas

están en constante desplazamiento, la movilidad se ha convertido en un

aspecto clave ya que la red inalámbrica tiene que soportar los cambios de

ubicación de sus usuarios para que no haya ninguna pérdida de

información. Así pues, se sabe que los sistemas de telefonía celular son

los que tienen mayor movilidad, pero en este caso, el proyecto se refiere a

comunicaciones de corto alcance ya que se necesitara de una red

inalámbrica por medio de ondas de radiofrecuencia para poder controlar

los aparatos voladores.[1]

Lo inalámbrico ha adoptado una manera más sencilla y cómoda de

manejar toda clase de dispositivos electrónicos con el fin de mejorar el

confort y las comunicaciones en general. Se compone de una amplia

4

gama de diferentes estándares y tecnologías. Normalmente estos tipos de

comunicaciones se dividen en inalámbricas de corto alcance y de largo

alcance. La primera, la cual es la de interés para este proyecto, puede

abarcar rangos de hasta 100 metros, después de esa distancia se dice

que es de largo alcance. [2]

2.1 Protocolos de Comunicación La radiofrecuencia son ondas electromagnéticas con un espectro entre los

3Hz y los 300GHz, los cuales se transmiten aplicando corriente alterna

originada en un convertidor y esta se manda por una antena, generando

un par de campos uno eléctrico y el otro magnético ortogonales entre sí.

La clasificación del espectro electromagnético se muestra a continuación

en la tabla 2.1:

Tabla 2.1 Clasificación del espectro electromagnético

Nombre Abreviatura inglesa Frecuencias Longitud de

onda < 3 Hz > 100.000 km

Extra baja frecuencia (Extremely low Frequency) ELF 3-30 Hz

100.000–10.000 km

Super baja frecuencia (Super low Frequency) SLF 30-300 Hz

10.000–1.000 km

Ultra baja frecuencia (Ultra low Frequency) ULF

300–3.000 Hz

1.000–100 km

Muy baja frecuencia (Very low Frequency) VLF 3–30 KHz 100–10 km Baja frecuencia (Low Frequency) LF 30–300 KHz 10–1 km Media frecuencia (Medium Frequency) MF

300–3.000 KHz 1 km – 100 m

Alta frecuencia (High Frequency) HF 3–30 MHz 100–10 m Muy alta frecuencia( Very high Frequency) VHF 30–300 MHz 10–1 m Ultra alta frecuencia (Ultra high Frequency) UHF

300–3.000 MHz

1 m – 100 mm

Super alta frecuencia (Super high Frequency) SHF 3-30 GHz 100–10 mm Extra alta frecuencia (Extremely high frequency) EHF 30-300 GHz 10–1 mm > 300 GHz < 1 mm

5

Para poner una onda electromagnética en el espacio se necesita

una serie de elementos: por ejemplo una emisora de radio, en este caso

se transmitirán datos, estos se convierten en corrientes eléctricas que un

emisor se encarga de transformar en un flujo eléctrico de alta frecuencia

(RF), entonces se aplica a una antena de emisión que es la encargada

de enviar las corrientes del emisor en ondas electromagnéticas.

Al conectar el oscilador directamente a la antena, la potencia de

salida sería muy pequeña y va a estar ligada al alcance de la emisora, ya

que a más potencia mas alcance de las ondas, Para evitar estos

inconvenientes, entre el oscilador y la antena, se colocan una serie de

amplificadores de potencia para estos casos, que se llaman

amplificadores de radiofrecuencia. A cada amplificador se le denomina

etapa, un emisor tendrá tantas etapas como sean necesarias para dar su

potencia necesaria a la salida. A la primera etapa, la que va

inmediatamente detrás del oscilador, se le denomina amplificador

separador o buffer, a las etapas que siguen del buffer se le va

denominando consecutivamente primera etapa de potencia, segunda

etapa de potencia, etc. Al amplificador final, el que va conectado a la

antena, se le denomina amplificador final de potencia. [3]

A continuación se describirán algunas de las tecnologías

inalámbricas más usadas para las comunicaciones a corta distancia:

Bluetooth y Zig Bee. El protocolo Bluetooth es una especificación

industrial creada para redes inalámbricas de área personal WPAN

(Wireless Personal Area Network), fue creado originalmente por la

empresa de comunicaciones móviles Ericsson y estandarizado bajo la

referencia de IEEE 802.15.1. Esta tecnología inalámbrica funciona

mediante ondas de radio de corto alcance (2.4GHZ), cuyo objetivo es

simplificar las comunicaciones entre dispositivos electrónicos, como

6

laptops, teléfonos móviles, ayudantes personales digitales PDAs

(Personal Digital Assistant), impresoras, cámaras digitales y consolas de

video. Debido a su potencia de transmisión, este dispositivo se clasifica

en tres formas: clase 1; con un rango aproximado de 100 metros, clase2;

25 metros y clase 3 de 1 metro, siendo totalmente compatibles unos con

otros. [4]

Otro protocolo es el llamado ZigBee con un estándar de referencia

IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal WPAN, se

comunica con una serie de dispositivos por medio de ondas de radio

digitales, haciendo que trabajen más eficientes entre sí, es un transmisor

y una receptor que trabajan mediante una baja potencia y tiene como

objetivo las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con un

bajo paquete de datos a enviar y con esto maximizar la vida útil de sus

baterías. Puede trabajar en conexiones con diversos tipos de topología,

como estrella, punto a punto, malla y árbol, por lo tanto lo hace mas

seguro, barato y no habrá ninguna dificultad a la hora de su construcción

ya que es muy sencilla. Es un sistema ideal para usarse dentro de

dispositivos de automatización de hogares, de edificios, en control

industrial, periféricos de computadoras personales y en sensores

médicos. [4]

A continuación en la tabla 2.2 s muestra un resumen de las

diferencias entre los protocolos Bluetooth y ZigBee.

7

Tabla 2.2 Diferencias entre los protocolos Bluetooth y ZigBee

Comparación de las tecnologías inalámbricas

Características Bluetooth ZigBee

Bandas de Frecuencia 2.4Ghz 2.4 GHz, 868/915MHz

Tamaño Pila ~1Mb ~20Kb

Tasa de Transferencia

1Mbps

250Kbps(2.4GHz),

40Kbps(915MHz),

20 Kbps (868MHz)

Número de Canales

79

16 (2.4GHz),

10 (915MHz),

1 (868MHz)

Tipos de datos Digital, Audio Digital( Texto)

Numero de dispositivos 8 255/65535

Requisitos de Alimentación Días de Batería Años de batería

Arquitectura Estrella

Estrella, Árbol,

punto a punto, malla

Mejores Aplicaciones Computadoras y teléfonos

Control de bajo costo y

monitoreo

Precio Accesible Bajo

Complejidad Complejo Simple

2.3 Módulos de radiofrecuencia

El módulo nRF24L01, figura 2.1, el cual no se utilizó en este proyecto,

debido a que se llego a la conclusión después de varias pruebas que

estaban dañados, este dispositivo es de la marca Nordic Semiconductor,

es bidireccional, funciona en la banda de 2.4GHz, asimismo está

incorporado al protocolo de banda base (Enhanced ShockBurst™), el cuál

funciona mandando una señal de transmisión mediante un mismo canal.

El nRF24L01 trabaja mediante un bus de interface periférica serial SPI

(Serial Peripheral Interface) y depende de un microcontrolador para

8

plantear un sistema de comunicación. Su diseño es para aplicaciones

inalámbricas con energía ultra baja en un rango de 1.9v a 3.6v.

Figura 2.1 Módulo nRF24L01

El protocolo Enhanced ShockBurst™ está basado en un paquete

de comunicación que soporta varios modos de operación, ya sea de

manual o autónomo. Los datos se envían en base al primero que entra,

primero que sale FIFO (First In, First Out) como se muestra en la figura

2.2, con esto se garantiza un tranquilo flujo de datos entre el módulo y el

microcontrolador. El sistema permite un alto rendimiento en

comunicaciones a bajo costo, ya que se utilizan microcontroladores

económicos y pocos dispositivos externos para su manipulación. Además

tiene un mejor rendimiento energético en los sistemas unidireccionales y

bidireccionales. [5]

Figura 2.2 Envío de datos nRF24L01

9

El módulo serial inalámbrico modelo RF-IS0003, figura 2.3, el cual

se utilizó en este proyecto, debido a su bajo costo y fácil manejo de

operación. En dicho dispositivo se tuvieron algunos problemas para

entender su funcionamiento ya que al tratar de conseguir una hoja de

especificaciones, no se logró encontrar, debido a que el fabricante

MDFLY no la maneja. Por lo que se prefirió realizarle diversas pruebas

para entender su funcionamiento, ancho de la palabra de datos, la mejor

frecuencia de operación del RS-232, paridad, interrupciones, etc.

• Figura 2.3 Módulo RF-IS0003

Sus especificaciones son las siguientes: opera en la banda

reservada de uso comercial ISM (Industrial, Scientific and Medical) de los

2.4 GHz, con un rango de transmisión de hasta 30 metros, con una tasa

de bits por segundo (Baud Rate) de 9600 bps y funciona con una

frecuencia entre 2400 y 2483 MHz gracias a que es construido con una

antena de 2.4GHz y trabaja con una alimentación de 5 volts. En el

prototipo, la banda de frecuencia que se utiliza es ultra alta frecuencia

UHF (Ultra high frequency). [6]

10

En la figura 2.4 se muestra la asignación de los pines externos, en

los cuales se encuentra la alimentación de 5 voltios, la tierra, el pin de

transmisión y el de recepción:

Figura 2.4 Pines externos del módulo RF-IS0003

11

Capítulo 3

Microcontroladores

Los microcontroladores han sido desarrollados para realizar una infinidad

de aplicaciones. Se utilizan en equipos de comunicaciones y de telefonía,

en instrumentos electrónicos, en la televisión digital, en la industria

automotriz, en equipos médicos e industriales de todo tipo, en

electrodomésticos, en juguetes, etc.

Los microcontroladores están pensados fundamentalmente para

ser utilizados en aplicaciones donde se deban realizar un número de

tareas al menor costo posible. En estas aplicaciones, se ejecuta un

programa almacenado permanentemente en su memoria, el cual trabaja

con algunos datos almacenados temporalmente e interactúa con el

exterior a través de las líneas de entradas y salidas que posee.

Existen varios tipos de microcontroladores, sin embargo los más

conocidos son las familias de Microchip, Intel y Freescale, anteriormente

llamado Motorola. Todos producen una gran variedad de dispositivos

programables que son de alta calidad, muy potentes, de bajo coste y

además de proporcionar gran rendimiento. [7]

3.1 Microcontroladores MC9S08QG8

Así pues, debido a las exigencias del proyecto, se utilizara el

microcontrolador MC9S08QG8 de 8 bits de la familia de Freescale, ya que

12

cumple con las expectativas del trabajo a realizar. Además se puede

destacar la simplicidad, prestaciones, facilidad de uso y precio accesible,

lo ha convertido en un dispositivo popular entre los usuarios de este

fabricante. La empresa de Freescale Semiconductors es líder en la

industria de semiconductores que se enfoca a proveer procesamiento

embebido y productos de conectividad.

La unidad central de procesamiento CPU (Central Processing Unit)

del microcontrolador está basado en la arquitectura de Von Neumann

(también conocida como Princeton), con un conjunto de instrucciones de

computadora complejos CISC (Complex Instruction Set Computer). Se

caracteriza por usar un bus de datos común compartido entre la memoria

y los periféricos, además de un bus de direcciones, el cual es responsable

de seleccionar la dirección de memoria o el registro de periférico al que se

quiere acceder y por último, un bus de control que se encarga de controlar

el tipo de operación a ser ejecutada. Esto significa que el CPU solo ve un

espacio de dirección en que se comparten los datos del usuario y el

código de aplicación, como se observa en la figura 3.1. El modelo CISC,

se determina por tener un conjunto de instrucciones muy amplio y se

permiten operaciones complejas entre datos situados en la memoria o

registros internos. En la figura 3.1 se puede ver una mejor explicación de

esta arquitectura. [8]

13

Figura 3.1 Arquitectura Von Neumann

Las características principales son que contiene una memoria

Flash de 8 Kbyte, la cual es donde se almacena el programa del sistema,

también cuenta con una memoria RAM de 512 bytes donde se almacenan

los datos temporales que se utilizan en el programa, incluye una oscilador

que se puede configurar hasta 20 MHz con el cristal interno y adaptándole

uno externo puede alcanzar hasta 40 MHz, este dispositivo sirve para

sincronizar el funcionamiento de todo el sistema por medio una señal de

reloj, contiene 14 pines que se pueden utilizar como entradas o salidas (6

pines del puerto A y 8 para el puerto B), en la figura 3.2 se observa el

diagrama de bloques. [9]

14

Figura 3.2 Diagrama de bloques del MC9S08QG8 (Tomado de la hoja de datos del MC9S08QG8)

Además cuenta un periférico para convertir señales análogas a

digitales ADC (Analog-Digital Converter), también con una interface de

comunicaciones serial SCI (Serial Communications Interface), este se

utilizara para controlar el modulo receptor, así mismo soporta el protocolo

de puerto serial RS232 con el cual se manipulara a los módulos

transmisores de radiofrecuencia. Para la alimentación del MC0S08QG8

en este caso, será de 5 voltios, ya que se manejaran motores de eso

voltaje corriente directa DC, pero normalmente se le suministran 3.6

voltios. En la figura 3.3 se muestran los pines externos del MC9S08QG8.

15

Figura 3. 3 Pines externos MC9S08QG8 (Tomado de la hoja de datos del MC9S08QG8)

Para este proyecto se utilizara la interface de comunicaciones

serial SCI (Serial Communication Interface), donde la información es

transmitida en forma serial, esto es bit por bit. Estos datos son enviados

de forma asíncrona, utiliza el sistema full-Dúplex, ya que el envió y

recepción son simultáneos, además se puede programar para que se

envíen 8 o 9 bits dependiendo de las exigencias del proyecto y por ultimo

también consta de un modulo divisor de 13 bit, para programar la tasa de

envió de datos (Baud Rate) para poder configurar los módulos

inalámbricos a 9600 bps y así lograr entablar la comunicación como se

requiera.

3.2 Modulación por ancho de pulsos PWM

La modulación por ancho de pulsos PWM (Pulse Width Modulation) de

una señal es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una

señal periódica (sea senoidal o cuadrada) para controlar la cantidad de

energía que se envía a una carga. El ciclo de trabajo de una señal

periódica es el ancho relativo de su parte positiva en relación con el

16

periodo de la misma. Este se tendrá que regular para que cuando se

necesite un voltaje alto, los ciclos de trabajo deberán ser lo más grande

posible, en cambio cuando se requiera un voltaje pequeño el tamaño del

ciclo de trabajo será mínimo. [10]

En la figura 3.4, se muestra como se utilizara el PWM, para regular

los voltajes que se enviaran por los puertos de salida del

microcontrolador, ya que se necesitaran tres tipos de voltajes, uno alto

para que se eleve el helicóptero, uno mediano para que mantenga su

altura y uno bajo para que descienda.

Figura 3.4 Modulación de Ancho de Pulso

3.3 Programación del Microcontrolador

El microcontrolador se programa mediante CodeWarrior, es un software

de entorno de desarrollo aplicado IDE (Integrated Development

Environment) que se ejecuta mediante Windows. Con este entorno se

pueden generar aplicaciones para los microcontroladores, ya que consta

17

de un editor de código, un compilador, un depurador y un constructor de

interfaz gráfica. Además puede trabajar con lenguajes de programación

como: C, C++ y ensamblador. Este software incluye también un simulador

en pantalla en tiempo real, para comprobar cómo evoluciona tanto los

puertos de salida y entrada, los registros, la memoria de datos RAM, el

código paso por paso, según el progreso de la ejecución del programa.

Para poder programar el microcontrolador con el código ya creado en

CodeWarrior se necesita un programador llamado DEMO9S08QG8 que

mediante un conector de USB-BDM se configura una comunicación con la

computadora logrando así enviar el código directo al micro controlador. El

DEMO9S08QG8, como se muestra en la figura 3.5, es un tablero de

demostración para el microcontrolador MC9S08QG8. Se pueden

desarrollar aplicaciones de manera rápida y sencilla con la integración del

puerto USB-BDM. [11]

Figura 3.5 Tablilla DEMO9S08QG8

18

Un conector de 32 pins le permite a el tablero conectarse con el

exterior por medio de cables, además contiene salidas que son

importantes como los puertos de comunicación RS-232, SCI, SPI y un

modulo de I²C, ya que estas serán las que se utilizaran para la realización

del proyecto.

19

Capítulo 4

Acelerómetros

La miniaturización de máquinas electromecánicas o MEMS

(Microelectromechanical System) ya es una realidad de estos días.

Indudablemente, estos microdispositivos ya se están empleando para la

fabricación de acelerómetros, los cuales se presentan en las bolsas de

aire de los automóviles para determinar el momento justo en que se

produce un choque y disparar así el mecanismo de inflado de las bolsas.

Este mismo tipo de MEMS se emplean como elementos de navegación,

particularmente en la industria aeroespacial, pero también se prevén

aplicaciones como sensores de presión, temperatura y humedad. Se los

ha incorporado en marcapasos, para censar la actividad física del

paciente y modificar su ritmo cardíaco.

Además para evitar falsificaciones de firmas, se está pensado

incorporar estos acelerómetros en bolígrafos. De esta manera, no sólo

estaría registrado el trazo particular de la firma sino también las

velocidades y aceleraciones que se le aplica la mano al bolígrafo mientras

se firma, lo cual haría mucho más difícil su falsificación. También se

emplean MEMS en los cabezales de las impresoras de chorro de tinta,

produciendo la evaporación controlada de la tinta en el momento justo.

Asimismo, la ventaja del tamaño de estos dispositivos está en el hecho de

que se pueden fabricar en grandes cantidades reduciendo notablemente

su costo de fabricación. [12]

La micro ingeniería es la parte de la ingeniería que está

relacionada con la aplicación de las técnicas desarrolladas en el sector

20

electrónico para la manufactura de componentes en miniatura, con

tolerancias en la región de un micrón (1*10^-6m) de forma precisa y a

bajo costo.

Las necesidades de la técnica MEMs, movilidad, economía, rapidez

precisión, etc., han ocasionado que sea preciso construir componentes

miniaturizados manteniendo las funcionalidades de los de mayor tamaño.

El avance tecnológico, ha impulsado la necesidad de aumentar

constantemente la capacidad y velocidad de los diferentes dispositivos,

consiguiendo otras ventajas como lo son las de mayor precisión y

reducción de costos. [13]

4.1 Acelerómetro MMA7660FCR1

Con respecto a este acelerometro, sus medidas son de 3mm x 3mm

x1mm, como se muestra en la figura 4.1, contiene 3 ejes, los cuales le

ayudan a tener una excelente orientación, y particularmente se utilizara

para tener una buena estabilidad en el helicóptero, también consta de una

salida digital por medio de I²C (Circuitos Inter- Integrados), el cual es un

bus de comunicaciones en serie. El acelerómetro también proporciona

información sobre factores tan importantes como las vibraciones, la

inclinación, y el golpeteo. [14]

21

Figura 4.1Acelerómetro MMA7660FCR1

Para hacer una interconexión más simple entre dispositivos hacia

un microcontrolador se creó un bus bidireccional basado en dos líneas por

los que se transmiten datos en forma serial, al cual se le llama protocolo

I²C. Las líneas SDA (datos) y SCL (reloj), son bidireccionales y mediante

una resistencia de polarización (pull-up) se conecta a positivo de modo

que en reposo este en nivel alto. Para hacer la transferencia de datos se

necesita que SDA esté estable cuando el periodo del reloj este en nivel

alto ya que SDA solo puede cambiar cuando SCL se encuentre en nivel

bajo, como se muestra en la figura 4.2.

22

Figura 4.2 Protocolo I²C

El microcontrolador se configurará para que por medio del bus I²C,

se tenga una comunicación bidireccional, y con estos lograr que el

acelerómetro este realimentando al MC9S08QG8, y este con el programa

adecuado este mandando los voltajes que se requieran para que el

helicóptero este en constante equilibrio. [15]

4.3 Circuito del acelerómetro MMA7660FCR1

Para la realización del circuito impreso donde se instalara el acelerómetro

que se utilizara en el proyecto se necesito del software ARES 7

Professional para la creación de la pistas, como se muestra en la figura

4.3, ya que el dispositivo es demasiado pequeño y no se podía crear con

un proceso de tipo manual.

23

Figura 4.3 PCB del acelerómetro

Una vez terminado el diagrama de pistas se guardo en una

memoria USB para llevarlo al laboratorio de electrónica de la UACJ,

donde se cuenta con una máquina sofisticada de la empresa alemana de

nombre LPKF que se encarga de cortar la tablilla de cobre con el diseño

del circuito impreso PCB (Printed Circuit Board) que se desee, como se

muestra en la figura 4.4.

24

Figura 4.4 Maquina cortadora de la empresa LPKF

Ya terminado el circuito impreso, el acelerómetro se colocó con

mucha precisión sobre las pistas previamente marcadas con una pasta de

soldadura. El propósito de emplear soldadura en pasta es que el circuito

impreso con los componentes montados se introduce a un horno

fabricado especialmente para circuitos electrónicos, el cual se muestra en

la figura 4.5, al aumentar la temperatura la soldadura se funde pegando

los pines del dispositivo anteriormente descrito.

25

Figura 4.5 Horno para circuitos eléctricos

26

Capítulo 5

Dispositivos Electrónicos Adicionales

Debido a la complejidad del proyecto a realizarse, se necesitaran algunos

dispositivos extras para satisfacer las necesidades de lo propuesto. Se

necesitara de un max3218, que se usara para que se pueda entablar la

comunicación entre el puerto RS-232 y el modulo inalámbrico RF-IS0003,

también se utilizara un MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect

Transistor), ya que su función será recibir las señales que se crearán

mediante la modulación de ancho de pulso PWM y convertirlas a voltajes

dependiendo del ancho del ciclo de trabajo, y además por requerimientos

de diseño se acoplara un Diodo Emisor de Luz (LED) de 7 colores.

5.1 MAX 3218

El MAX3218 del fabricante MAXIM, es un circuito integrado que convierte

los niveles de las líneas de un puerto serie RS-232 a niveles de lógica de

transistor transistor TTL (Transistor-Transistor Logic), y viceversa.

Necesita de una alimentación de entre 1.8 a 4.25 voltios, ya que genera

internamente algunos voltajes que son necesarias para que funcione el

estándar RS-232. Este dispositivo soluciona la conexión necesaria para

lograr comunicación entre el puerto serie de una computadora personal y

cualquier otro circuito de funcionamiento en base a señales de nivel

TTL/CMOS. Una nueva característica llamada AutoShutdown, reduce el

consumo de corriente a 1μA, ya que cuando no se tienen niveles de señal

en las entradas del receptor, la alimentación de voltajes se apaga,

27

dándole una vida más prolongada a la batería, su circuito se muestra en

la figura 5.1. [16]

Figura 5.1 MAX3218

Se optó por trabajar con el MAX3218 que viene integrado en el

DEMO9S08QG8, ya que este consta con todos los dispositivos

necesarios para el buen rendimiento del convertidor. Para configurar este

circuito se debe activar la interface SCI en el código del programa,

además contiene un puente instalado en la tablilla, y este elemento esta

interconectado sobre unos pines que son los que habilitan o deshabilitan

el puerto RS-232, al removerlo automáticamente se activa este puerto, así

como todos los circuitos necesarios para que funcione de manera

adecuada.

28

5.2 MOSFET

El transistor de efecto de campo de semiconductor metal óxido MOSFET,

en un sustrato de silicio. Es un dispositivo controlado por voltaje, además

de ser extremadamente veloz en virtud a la pequeña corriente necesaria

para liberar el canal. Por esta facultad se los usa ampliamente en

conmutación. Su velocidad permite diseñar etapas con grandes anchos

de banda minimizando, así, lo que se denomina distorsión por fase

La característica constructiva común a todos los tipos de transistor

MOS es que el terminal de puerta está formado por una estructura de tipo

Metal/Óxido/Semiconductor. El óxido es aislante, con lo que la corriente

de puerta es prácticamente nula. Por ello, los MOS se emplean para tratar

señales de muy baja potencia

Tiene dos versiones canal N y canal P. En el MOSFET de canal N

la parte "N" está conectado a la fuente (source) y al drenaje (drain). En el

MOSFET de canal P está conectado a la fuente y al drenaje, como se

muestra en la figura 5.2.

Figura 5.2 MOSFET

29

Para que circule corriente en un MOSFET de canal N una tensión

positiva se debe aplicar en la compuerta. Así los electrones del canal N de

la fuente y el drenaje son atraídos a la compuerta y pasan por el canal P

entre ellos. El movimiento de estos electrones, crea las condiciones para

que aparezca un puente para los electrones entre el drenaje y la fuente.

La amplitud o anchura de este puente (y la cantidad de corriente)

depende o es controlada por la tensión aplicada a la compuerta. [17]

Para este proyecto se utilizara el MOSFET IRF740, el cual es de

canal N, empieza a trabajar a los 4 voltios y soporta hasta 10 amperes,

cumpliendo con los requerimientos necesarios.

5.3 Diodo Emisor de Luz (LED)

Un led consiste en un dispositivo que en su interior contiene un material

semiconductor que al aplicarle una pequeña corriente eléctrica produce

luz. La iluminación emitida por este dispositivo es de un determinado color

que no produce calor, por lo tanto, no se presenta aumento de

temperatura como si ocurre con muchos de los dispositivos incandecentes

emisores de luz.

El color que adquiera la luz emitida por este dispositivo dependerá

de los materiales utilizados en la fabricación de este. En realidad

dependerá del material semiconductor, que dará una luz que puede ir

entre el ultravioleta a el infrarrojo, incluyendo en el medio toda la gama de

colores visibles al ojo humano. [18]

30

Muchas son las ventajas de la utilización de diodos led, entre las

que se encuentra su reducido tamaño en comparación a una bombilla

común, dando ambas la misma luminosidad. Por otra parte, su duración

es considerablemente mayor, ya que un diodo led tiene la capacidad de

mantenerse encendido por 50,000 horas, esto significa que puede

funcionar por 6 años en continuo. Sin embargo, su alto precio hace que

estos dispositivos aún no sean de uso común en nuestros hogares, pero

comienzan a ganar terreno en los hogares con la invención de televisores

de leds y una gran importancia en nuestras calles como en los semáforos.

31

Capítulo 6

Descripción del minihelicóptero

El objetivo principal de este proyecto, es establecer una comunicación

inalámbrica entre dos microcontroladores, para así poder controlar un

helicóptero mediante ondas electromagnéticas de radiofrecuencia como

se muestra en la figura 6.1

Figura 6.1 Diagrama de bloques del proyecto

En el diagrama de bloques se observa todo el funcionamiento del

sistema objetivo de este proyecto, se empieza por el control que

contendrá un interruptor de prendido/apagado, además de 4 botones los

32

cuales se utilizaran para mandar la señal de vuelo del helicóptero de:

arriba, abajo, enfrente y atrás, los cuales estarán conectados a la tablilla

programadora DEMO9S08QG8, ya que para la transmisión de datos se

utilizara el puerto RS-232 y esta tarjeta tiene integrado el circuito

MAX3218, el cual sincroniza los voltajes positivos y negativos para que se

transfieran correctamente los datos al transmisor de radiofrecuencia y

este los envíe inalámbricamente al helicóptero.

En el helicóptero se pondrá el módulo receptor el cual está

conectado al MC9S08QG8 mediante la interface de comunicaciones serial

SCI, al llegar los datos a el microcontrolador, los decodificará y comparará

con los casos que están generados en el programa, al encontrar al que

corresponde, este tendrá determinada una señal PWM la cual se enviara

por puerto de salida y llegara al MOSFET, que será el encargado de

convertir la los ciclos de trabajo a voltaje, este variará dependiendo del

tamaño en nivel alto del ciclo de trabajo ya que entre más grandes sean

estos ciclos, mas será el voltaje de salida y viceversa.

El helicóptero contiene un interruptor ON/OFF que al momento de

encenderlo, se le cargaran 4 volts para que empiece a volar en un estado

fijo, inmediatamente se encenderá el led RGB (Red Green Blue) para que

esté cambiando de tonalidades, instantes después se lo programara que

suba 2 metros, para hacer esto se le suministraran 5 volts por unos

cuantos segundos, y cuando llegue a la altura deseada, se mantendrá en

esa posición, ahí se le podrán cargar las secuencias que se desee, ya sea

que dure un tiempo subiendo y bajando (en estado en el que sube se

necesitan 5 volts y en el bajo se necesitan de 3 volts), al terminar esta

rutina que se mantenga en un estado fijo unos segundos y después que

se mueva de enfrente para atrás otro lapso de tiempo (para moverlo de

esta manera se necesita energizar el motor de dirección con 2 volts), con

33

el led funcionando con los colores que se necesite. Antes de apagar el

helicóptero, se le programara que baje 2 metros, y después se le corte la

corriente a los motores y al led. A continuación se describe lo anterior en

un diagrama de estados, figura 6.2.

Figura 6.2 Diagrama de estados

34

Capítulo 7

Resultados

7.1 Pruebas en el helicóptero

Para poder estudiar el comportamiento del helicóptero, se tuvo que

desarmar desmontando la carcasa, como se muestra en la figura 7.1,

para poder observar de qué se compone internamente, contenía un

circuito con varias resistencias, un microcontrolador que no se pudo

reconocer ya que no contenía nada de información, además incluía una

pila de 5 volts y un receptor infrarrojo, ya que este aparato anteriormente

se controlaba mediante ese tipo de comunicación.

Figura 7.1 Estudio del helicóptero

35

Se hicieron pruebas en los motores del helicóptero para ver los

voltajes con los que opera, se encontró que opera a un voltaje de 0 a un

voltaje máximo de 5 volts y la hélice secundaria trabajara de 0 a 2v, con

una corriente máxima de un ampere, esta prueba se realizo aplicándole

voltaje directo mediante una fuente del laboratorio, como se muestra en la

figura, se empezó desde los cero voltios y a partir de los tres voltios se

empezó a ver un comportamiento interesante, a esa cantidad de energía

se observó que el aparato bajaba suavemente si se dejaba caer de una

distancia considerable, de ahí se aumento hasta cuatro voltios

manteniéndose en el aire en una posición más estable, y para finalizar la

prueba a los cinco volts se elevaba en una velocidad formidable, como se

observa en la figura 7.2.

Figura 7.2 Pruebas en el helicóptero

En la siguiente tabla 7.1, se muestran los datos que fueron

recabados en las pruebas que se hicieron anteriormente mencionadas.

36

Tabla 7.1 Voltajes en los motores

Voltaje Hélices Principales 0V Sin movimiento 3V Desciende lentamente 4V Se mantiene en aire 5V Sube Lentamente

7.2 Pruebas con la comunicación inalámbrica

Para poder programar el microcontrolador con el propósito de gobernar al

módulo transmisor, se apoyó en el diagrama de bloques que aparece en

la hoja de datos, como se muestra en la figura 7.3. En la inicialización del

programa se declaró SCIC2_TE=1; esto se refiere a que el módulo será el

transmisor, ya que si se declara en cero, se desactiva su función y no

realiza ninguna tarea, también el registro de datos vacios del transmisor

SCIS1_TDRE=1, estableció a uno ya que con esto se limpia esta bandera

para poder estar recibiendo nuevos datos y este nunca se llene, y por

último SCIS1_OR=1, este registro sirvió para que en la bandera del

receptor siempre se esté limpiando sola y pueda estar recibiendo datos

constantemente. Se configuro para que la velocidad de envío de por

segundo fuera de 9600 bps, ya que los módulos fueron comprados con

esa velocidad y no hay forma de modificar ese aspecto.

En la parte principal del programa, se declara en el registro SCID el

dato que se desea enviar inalámbricamente por la interface SCI, en este

código se enviaran cuatro diferentes datos los cuales estarán en cuatro

diferentes casos y cada uno será accedido mediante un botón exterior al

Voltaje Hélices de dirección 0V Sin movimiento 2V Máxima velocidad

37

microcontrolador, es decir habrá también cuatro botones y al presionar

alguno de estos, automáticamente entrara a la condición mandando el

dato que este adentro.

Figura 7.3 Diagrama de bloques del transmisor (Tomado de la hoja de datos del MC9S08QG8)

Al programar el microcontrolador para que rigiera al modulo

receptor, se basó en el diagrama de bloques que se encuentra en la hoja

de datos del MC9S08QG8 como se muestra en la figura 7.4, en el

programa primeramente se inicializó como receptor activo poniendo el

registro SCIC2_RE en alto, después el registro SCIC2_RWU se puso en

bajo, del mismo modo se colocó SCIS2_RAF=1 y además

SCIS1_RDRF=0, esto para que la bandera del receptor siempre este

38

limpiándose y pueda recibir constantemente los datos del transmisor para

así tener un mejor control del helicóptero, igualmente se puso el registro

SCIC2_SBK=0 esto para desactivar las interrupciones en la recepción;

para configurar el envío de datos se declaró SCIBD=26, donde el 26 es el

divisor del Baud Rate el cual fue calculado con formula que se encuentra

la hoja de datos: velocidad de datos(BD)= 4MHz/(16*26)=9615 bps,

asimismo el modo selector SCIC1_M=0 se determinó a 8 bits, ya que así

se entablaba un mejor transmisión.

En la parte principal del código se declaró el registro donde se

reciben los datos enviados del transmisor el cual es SCID, donde estos

dependiendo del carácter, entran en su respectivo caso y de ahí se emite

la señal de PWM donde sale por un puerto y por medio de un arreglo con

un transistor de enriquecimiento, un diodo rectificador y un capacitor de

1μF, se convierte a voltaje y este llega a los motores, por ejemplo, si se

desea hacer que el helicóptero valla hacia arriba, en el control del usuario

envía un carácter especifico el cual se recibe en este programa, al

comparase en los diferentes casos, entrara al que le corresponde y

mandara un ancho de pulso mediante un puerto de salida del

microcontrolador, de ahí entrara un circuito de acondicionamiento donde

este los convertirá a un determinado voltaje y llegara a los motores para

que hagan ascender al aparato.

39

Figura 7.4 Diagrama de bloques del receptor (Tomado de la hoja de datos del MC9S08QG8)

Después de lograr la comunicación exitosa entre los

microcontroladores por medio de alambres, se tuvo que pasar al siguiente

paso, el cual era el de la transmisión de datos por medio de los módulos

inalámbricos, la primera prueba se uso como transmisor una computadora

personal se configuro una comunicación en el hiperterminal y por medio

de un cable serial se le conecto en el otro extremo el modulo con los

cables cruzados, es decir, el pin del transmisor del DB-9 con el pin

receptor del módulo, y el del receptor con el transmisor además de un

40

común para la tierra, también se tuvo que alimentar con 5 voltios los

módulos por medio de una fuentes, ya que sin ese voltaje no trabajan.

Del lado receptor, el módulo se conecto cruzado de la misma forma

que en el transmisor, se le agregaron un led a cada salida del puerto A,

cuatro en total, esto para que al momento de recibir algunos datos

establecidos en el código del microcontrolador, fueran prendiendo uno a

la vez, como se muestra en la figura 7.5.

Figura 7.5 Comunicación inalámbrica entre la PC y MC9S08QG8

Ya que se realizo la prueba anterior, se empezó a comunicar del

modo inalámbrico entre DEMO9S08QG8´s, el transmisor por medio del

puerto RS-232, con la ayuda del MAX3218, enviaba un dato cualquiera y

se recibía en la tarjeta exitosamente, como se muestra en la figura 7.6.

41

Figura 7.6 Comunicación entre MC9S08QG8

La prueba sucesora a esta consto en agregarle cuatro botones al

transmisor, como se observa en la figura 7.7, para que al presionarlos,

enviara el dato que está predeterminado en cada caso, y que al llegar al

receptor se pudiera observar en el simulador, lográndose hacer de

manera correcta.

Figura 7.7 Comunicación entre MC9S08QG8 con botones

42

Capítulo 8

Conclusiones

A principios del semestre, se tenían unas expectativas muy amplias para

el desarrollo de este trabajo, conforme fue pasando el tiempo

descubrimos que en la ingeniería los caminos pueden ser muy diferentes

a los que se plantean al iniciar un proyecto, y aunque no logramos

alcanzar las metas que nos propusimos nacieron nuevas ideas que nos

acercaron lo más posible. En el desarrollo de este, fueron surgiendo

nuevas experiencias que nos hicieron crecer como futuros ingenieros y

como personas, ya que pusimos a prueba todos nuestros conocimientos y

habilidades adquiridos a lo largo de la carrera.

El primer desafío que se enfrentó fue el establecer la

comunicación inalámbrica entre dos microcontroladores, y esto fue el

punto de mas conflicto, ya que al principio se adquirieron unos módulos

que después de bastantes pruebas llegamos a la conclusión de que no

eran factibles en este proyecto, después se consiguieron otros circuitos

diferentes y con estos se logro entablar la comunicación inalámbrica de

manera más sencilla.

Otro de los objetivos alcanzados fue el control de los motores del

helicóptero mediante la modulación de ancho de pulso PWM, esto se

logro mediante la creación de un código para el microcontrolador

MC9S08QG8, y por medio de las funciones internas de este se generaron

los diferentes anchos de pulso que se requerían para hacer los cambios

de voltajes que alimentan a los 3 motores en el helicóptero.

43

Además para amplificar la señal generada por PWM, se diseño un

circuito que mediante un arreglo que contiene un MOSFET, un diodo

rectificador y un capacitor, entregan el voltaje necesario para el control del

helicóptero.

Como trabajos a futuro se pretende implementar el acelerómetro

MMA7660, ya que por falta de equipo y de tiempo no se logró concretar la

aplicación en el helicóptero. Este dispositivo nos iba a ayudar a tener una

mayor estabilidad de vuelo en el aparato y así poder controlarlo de la

manera que se desee.

Otro mejoramiento en este proyecto sería el de manipular mas

helicópteros al mismo tiempo para así crear figuras sincronizadas en el

aire y con esto poder lograr un mayor entretenimiento hacia las personas

44

Referencias [1] Alan Bensky, Short-range Wireless Communications. Fundamentals of RF System Design and Application, editorial Newnes, USA, 2004, Pag. 212.

[2]Andy Bateman, Comunicaciones digitales. Diseño para el mundo real, editorial Marcombo, España, 2003, pág. 312.

[3]http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_frec_radio/ke_frec_radio_2.htm, 20 de octubre

[4] WiFi™, Bluetooth™, Zigbee™ and WiMax™, Houda Labiod, Hossam Afifi, Constantino De Santis, Springer, 2007, Holanda, 311

[5] http://www.nordicsemi.com/ 15 de septiembre.

[6]http://www.mdfly.com/index.php?main_page=product_info&products_id=168

[7] Fernando E. Valdez Pérez, Ramón Pallas Areny, Microcontroladores: Fundamentos y aplicaciones con PIC, editorial Marcombo, México, 2007 pag.244.

[8] Fabio Pereira, HCS08 Unleashed – Designer´s Guide to the HCS08 Microcontrollers, editorial, USA, 2008, Pag 411.

[9]http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC9S08QG8.pdf , 10 de septiembre

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[10] Mantenimiento electrónico e instrumental industrial, Ing. Hernando Gómez Palencia PWM.

[11]http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/user_guide/DEMO9S08QG8UG.pdf, 1 de noviembre del 2010.

[12] http://www.wayerless.com/2009/06/el-boom-de-los-acelerometros-w-guia/ 9 de noviembre 2010.

[13] Manuel José López Fernández. INTRODUCCION A LOS SISTEMAS MICROELECTROMECANICOS MEMS. http://www.aeih.org/ih/Congresos/Congreso-23/Documentacion/Documentos/B3-4-D.pdf 14 de noviembre del 2010

[14] http://www.cha138.net/a/tecnologia/2010/08/Que-es-un-acelerometro.html, 15 de noviembre del 2010.

[15]http://atc.ugr.es/~afdiaz/fich/bus_i2c.pdf, 15 de noviembre del 2010.

[16] http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX3218.pdf 13 de noviembre 2010.

[17] http://ccpot.galeon.com/enlaces1737099.html, 1 noviembre del 2010.

[18] Tomasi, Wayne. Sistema de comunicaciones electrónicas, cuarta edición, Prentice Hall, México 2003, pags 976.