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Control automático
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integrantes:
FECHA:
CONTROL AUTOMÁTICO
CURSO:
Pamela Barrazueta 430 Alexandra Flores 538 Jaime Suárez 476 Diego Intriago R. 48
Séptimo “A”
FINANCIERO
INTEGRANTES:
CURSO:
FECHA: Viernes, 31 de julio del 2015
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA
DE CHIMBORAZO
Facultad de Informática y Electrónica Escuela de Ingeniería Electrónica en Telecomunicaciones y Redes
ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO FACULTAD DE INFORMÁTICA Y ELECTRÓNICA
Escuela de Ingeniería Electrónica en Telecomunicaciones y Redes
FIE 2
Implementación del control de la distancia a una determinada
velocidad en una pista de autos
1. DATOS GENERALES:
NOMBRE: (estudiante(s) CÓDIGO(S): (de estudiante(s)
Pamela Barrazueta 430
Alexandra Flores 538
Jaime Suárez 476
Diego Intriago R. 48
2. OBJETIVO(S):
2.1. GENERAL
Analizar la estabilidad de un sistema de control para que a una determinada
velocidad se controle la distancia a la que se encuentra un auto.
2.2. ESPECÍFÍCOS
Establecer un rango de velocidad para que al momento de sobrepasar estos límites
salga una señal de aviso en una pantalla LCD
Vincular la información generada con el sensor ultrasónico de distancia y el sistema
PWM, para determinar si un vehículo sobrepasa o no los límites de velocidad.
3. INTRODUCCIÒN Al conducir un vehículo motorizado, tanto el ocupante como los otros conductores e incluso
los peatones que se encuentran cerca al vehículo están en riesgo de sufrir lesiones por un
accidente si el vehículo circula a alta velocidad. Este factor ocasiona accidentes de tránsito,
de ahí surge la idea de realizar este proyecto con el cual se pretende cuidar la vida humana,
realizando una maqueta en donde se simulará el funcionamiento de un automóvil el cual se
moverá con una pista controlada por un micromotor, y se controlará con un sensor
ultrasónico desde una determinada distancia si se ha sobrepasado o no los límites de
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FIE 3
velocidad, haciendo que se muestre una señal de aviso en una pantalla LCD si se ha
excedido en la velocidad y si el vehículo circula dentro de los límites establecidos no
sucederá nada. El diseño e implementación de un control de velocidad a una distancia
determinada resultó ser la mejor opción cuando se trata de reducir la velocidad en
carreteras, obligando al conductor a mantener una velocidad totalmente maniobrable para
evitar cualquier percance y sufrir las consecuencias de un accidente en la vía.
4. MARCO TEÓRICO
Un sistema automático de control es un conjunto de componentes físicos conectados o
relacionados entre sí, de manera que regulen o dirijan su actuación por sí mismos, es decir sin
intervención de agentes exteriores (incluido el factor humano), corrigiendo además los posibles
errores que se presenten en su funcionamiento.
Actualmente, cualquier mecanismo, sistema o planta industrial presenta una parte actuadora, que
corresponde al sistema físico que realiza la acción, y otra parte de mando o control, que genera las
órdenes necesarias para que esa acción se lleve o no a cabo.
Necesidad y aplicaciones de los sistemas automáticos de control
En la actualidad los sistemas automáticos juegan un gran papel en muchos campos, mejorando
nuestra calidad de vida:
En los procesos industriales:
- Aumentando las cantidades y mejorando la calidad del producto, gracias a la producción
en serie y a las cadenas de montaje.
- Reduciendo los costes de producción.
- Fabricando artículos que no se pueden obtener por otros medios.
Arduino
Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa con un microcontrolador y un
entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos
multidisciplinares.
El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel AVR y puertos de entrada/salida.
Los microcontroladores más usados son el Atmega168, Atmega328, Atmega1280, ATmega8 por su
sencillez y bajo coste que permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por otro lado el software
consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de programación
Processing/Wiring y el cargador de arranque (boot loader) que corre en la placa.
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FIE 4
Al ser open-hardware, tanto su diseño como su distribución es libre. Es decir, puede utilizarse
libremente para el desarrollo de cualquier tipo de proyecto sin haber adquirido ninguna licencia.
Figura1. Arduino
Entrada PWM
La modulación por ancho de pulsos también conocida como PWM de una señal o fuente de
energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una
senoidal 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. La principal desventaja que presentan los circuitos PWM es la
posibilidad de que haya interferencias generadas por radiofrecuencia. Éstas pueden
minimizarse ubicando el controlador cerca de la carga y realizando un filtrado de la fuente
de alimentación.
LCD (Led Preventivo)
Una pantalla de cristal líquido o LCD es una pantalla delgada y plana formada por un
número de píxeles en color o monocromos colocados delante de una fuente de luz o
reflectora. A menudo se utiliza en dispositivos electrónicos de pilas, ya que utiliza
cantidades muy pequeñas de energía eléctrica.
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FIE 5
Figura 2. LCD
Micromotor
Este micromotor ESTÁNDAR relación 50:1 de alta calidad esta diseñado para trabajar a 6Vdc, este
motor puede trabajar en un rango de 3 a 9 Vdc pero se recomienda trabajarlo en voltajes no
superiores a 6Vdc, este motoreductor hace parte de la familia microm.
Figura3. Micromotor
Sensor Ultrasónico de distancia
Los ultrasonidos son antes que nada sonido, exactamente igual que los que oímos
normalmente, salvo que tienen una frecuencia mayor que la máxima audible por el oído
humano. Ésta comienza desde unos 16 Hz y tiene un límite superior de aproximadamente
20 KHz, mientras que nosotros vamos a utilizar sonido con una frecuencia de 40 KHz. A
este tipo de sonidos es a lo que llamamos Ultrasonidos. El funcionamiento básico de los
ultrasonidos como medidores de distancia se muestra de una manera muy clara en el
siguiente esquema, donde se tiene un receptor que emite un pulso de ultrasonido que
rebota sobre un determinado objeto y la reflexión de ese pulso es detectada por un receptor
de ultrasonidos.
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FIE 6
Figura4.Funcionamiento sensor ultrasónico
La mayoría de los sensores de ultrasonido de bajo coste se basan en la emisión de un pulso
de ultrasonido cuyo lóbulo, o campo de acción, es de forma cónica. Midiendo el tiempo que
transcurre entre la emisión del sonido y la percepción del eco se puede establecer la
distancia a la que se encuentra el obstáculo que ha producido la reflexión de la onda
sonora, mediante la fórmula:
𝒅 =𝟏
𝟐𝒗𝒕
Donde V es la velocidad del sonido en el aire y t es el tiempo transcurrido entre la emisión y
recepción del pulso.
FUNCIONES DE TRANSFERENCIA
ARDUINO - PWM
Función de transferencia =𝐾
𝑆+
𝐾
5.34 + 𝑆
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FIE 7
LCD
𝐹𝑢𝑛𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝑅𝑒(𝑠)
Re= Resistencia= 1000ῼ
SENSOR ULTRASÓNICO DE DISTANCIA
𝐹𝑢𝑛𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =0.017 + 𝑘
𝑆2
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FIE 8
5. DESARROLLO
DIAGRAMA DE BLOQUES
R(S): Señal de frecuencia de objeto
Y(S): Datos de exceso o no exceso de velocidad
SIMPLIFICACIÓN DE DIAGRAMAS DE BLOQUES
ARDUINO (PWM)
𝐾
𝑆+
𝐾
5.34 + 𝑆
LCD
1000
SENSOR
ULTRASÓNICO
0.017 + 𝑘
𝑆2
R(S) Y(S)
Medida de
velocidad a
cierta
distancia
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FIE 9
DIAGRAMA DE FLUJO
𝑇(𝑠) =∑ ∆ 𝑖. 𝑝𝑖
∆(𝑠)
LI= -G1.G2
pi= G1G2
∆(𝑠) = 1 + 𝐺1𝐺2
(𝐾
𝑆+
𝐾
5.34+𝑆)1000
Señal de
distancia
𝑆2 + 5341𝑆
𝑆3 + (5.34 + 90𝐾)𝑆2 − (17 + 𝐾)
R(S)
0.017 + 𝑘
𝑆2
Y(S)
R(s) A B
C
+1
-1
G1 G2
H1
Y(s)
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FIE 10
𝑇(𝑠) =𝐺1. 𝐺2
1 + 𝐺1𝐺2𝐻1
𝑇(𝑠) =1 + (
𝐾𝑆 +
𝐾5.34 + 𝑆
)1000
1 + (𝐾𝑆 +
𝐾5.34 + 𝑆
)10000.017 + 𝐾
𝑆2
T(s)= 𝑆2+5341𝑆
𝑆3+(5.34+90𝐾)𝑆2−(17+𝐾)
MÉTODO DE ROUTH AND HOURTWITS
P(s)= 𝑆3 + (5.34 + 90𝐾)𝑆2 − (17 + 𝐾)
𝒔𝟑 1 0
𝒔𝟐 5.34+90k -17+k
𝒔𝟏 a0=1.7+𝑘
5.34+90𝑘 a1=0
𝒔𝟎 b0=-1.7+k b1=0
𝑎0 =|
1 05.34 + 90𝐾 −17 + 𝐾
|
5.34 + 90𝑘=
1.7 + 𝐾
5.34 + 90𝐾
𝑎1 =|
1 05.34 + 90𝐾 0
|
5.34 + 90𝑘=
0
5.34 + 90𝐾= 0
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FIE 11
𝑏0 =
|5.34 + 90𝐾 −17 + 𝐾
1.7 + 𝐾5.34 + 90𝐾
0|
1.7 + 𝐾5.34 + 90𝐾
=0 −
28.9 + 𝐾5.34 + 90𝐾1.7 + 𝐾
5.34 + 90𝐾
= −1.7 + 𝑘
𝑏1 =
|5.34 + 90𝐾 0
1.7 + 𝐾5.34 + 90𝐾
0|
1.7 + 𝐾5.34 + 90𝐾
= 0
k>0
k-1.7>0
k<1.7
u(s)=5.34 + 90(1.7)𝑠2 − 3.4
u(s)=153𝑠2 + 1.94
𝑠2 = −0.01
S1=0.1j
S2=-0.1j
DIAGRAMA DE BODE
>> sh=tf([0 1 5341 0],[1 95.34 0 -18])
sh =
s^2 + 5341 s
--------------------
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FIE 12
s^3 + 95.34 s^2 - 18
Continuous-time transfer function.
>> v=logspace(-1,2,100);
>> bode(sh,v);
LUGAR GEOMETRICO DE LAS RAICES
>> sh=tf([0 1 5341 0],[1 95.34 0 -18])
sh =
s^2 + 5341 s
--------------------
s^3 + 95.34 s^2 - 18
Continuous-time transfer function.
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>> rlocus(gh)
6. FUNCIONAMIENTO El sistema propuesto trata del funcionamiento de un automóvil el cual se moverá con una pista
controlada por un micromotor, y se controlará con un sensor ultrasónico desde una determinada
distancia si se ha sobrepasado o no los límites de velocidad, haciendo que se muestre una señal
de aviso en una pantalla LCD, si se ha excedido en la velocidad se encenderá una luz roja, si está
en una velocidad media se encenderá una luz amarilla y si la velocidad es baja se encenderá una
luz verde. El rango de distancia donde el sistema es estable es de 3cm a 51 cm.
El rango de velocidad es: en velocidad baja cinco vueltas, velocidad media 6 vueltas y velocidad
alta 10 vueltas.
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FIE 14
El TCRT 5000 funciona como un tacómetro, este sensor se compone, básicamente, de un emisor
de LED infrarrojo y un foto-transistor responsable por filtrar la luz natural y capturar señales de
infrarrojos o no. Él tiene un escudo que separa el emisor del receptor y en función de la
reflectividad de la superficie es capaz de detectar el color (en una escala NEGRO y BLANCO) cada
vez que detecta el color blanco cuenta una vuelta.
En la pantalla LED se muestra el tiempo, las revoluciones y la distancia
7. MATERIALES 1 Micromotor de 50 a 1
Sensor ultrasónico
LCD
Arduino
2 7805
2 1N4148
Led rojo, amarillo y verde
Resistencias 220
Trimmer 10k
Espaladines hembra
Borneras de 2 contactos
Molex de 4 contactos
Baquelita
Ácido
Buzzer
TCRT5000
Mosfet IRFP 150
2 4N25
8. APLICACIONES El presente proyecto fue diseñado para tratar de reducir los accidentes de tránsito en las carreteras
del país, más no el cobro de multas por infracciones y arrestos a los infractores, por ello cada vez
que un conductor rebase los límites de velocidad tendrá que cancelar una multa logrando así
concienciar en la ciudadanía el respeto a las leyes de tránsito.
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FIE 15
9. CONCLUSIONES El proyecto presente demostramos analíticamente y prácticamente la estabilidad del
sistema.
Los sensores ultrasónicos no pueden reemplazar a un radar pero pueden ser de gran
utilidad para mediciones pequeñas.
El software Matlab nos ayudó de gran manera en el desarrollo del proyecto ya que gracias a
él los cálculos se nos facilitaron y fueron más exactos.
10. RECOMENDACIONES Enfocar el sonar del sensor bien hacia el objeto para que no haya errores en la medición.
No configurar el sensor ultrasónico para que su umbral de medición sea el máximo ya que
puede existir muchos errores.
El actuador puede ser cambiado por muchos otros como por ejemplo alarmas, cámaras que
toman fotos, etc.
11. BIBLIOGRAFÍA
http://repositorio.uide.edu.ec/bitstream/37000/174/1/T-UIDE-0113.pdf
http://www.alcabot.com/alcabot/seminario2006/Trabajos/DiegoPerezDeDiego.pdf
http://tierra.aslab.upm.es/documents/PFC/PFC_EGilaberte.pdf
https://uvadoc.uva.es/bitstream/10324/3407/2/PFC-P-78%3B79.pdf
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~23005153/d_tecnologia/bajables/2%20bachillerato/SIST
EMAS%20AUTOMATICOS%20DE%20CONTROL.pdf
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ANEXOS
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Código Programación Arduino #include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(7, 6, 5, 4, 3, 2);
#include <Ultrasonic.h>
Ultrasonic ultrasonic(12,11);
const int led2=13;
const int led3=8;
const int led1=A5;
const int zu=A6;
const int spin=9;
const int mosf=10;
const int pul1 = A1;
const int pul2 = A2;
int d=1;
int spul1 = 0;
int spul2 = 0;
int var;
const int releReedPin = 9;
int vueltas = 0;
int estadoRele = 0;
int ultimoEstadoRele = 0;
long tiempo_anterior = 0;
long tiempo_una_rev = 0;
unsigned long tiempo_ahora;
long rpm,i=10;
void setup()
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{
lcd.begin(16, 2);
pinMode(releReedPin, INPUT);
Serial.begin(9600);
pinMode(led1, OUTPUT);
pinMode(led2, OUTPUT);
pinMode(led3, OUTPUT);
pinMode(zu, OUTPUT);
pinMode(mosf, OUTPUT);
pinMode(pul1, INPUT);
pinMode(pul2, INPUT);
}
void loop() {
spul1 = digitalRead(A0);
spul2 = digitalRead(A2);
var=ultrasonic.Ranging(CM);
if (spul1 == HIGH)
{
d=2;
delay(10);
}
if (spul2 == HIGH)
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{
d=1;
delay(10);
}
if (d==2)
{
estadoRele = digitalRead(releReedPin);
if (estadoRele != ultimoEstadoRele) {
if (estadoRele == HIGH)
{
analogWrite(mosf, i);
vueltas++;
i=i+5;
tiempo_ahora =millis();
tiempo_una_rev = tiempo_ahora - tiempo_anterior;
rpm = 60000 / tiempo_una_rev; // 1 minuto = 60000 ms
if(i>=0 && i<=80)
{
digitalWrite(led1, HIGH);
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digitalWrite(led2, LOW);
digitalWrite(led3, LOW);
digitalWrite(A6, LOW);
var=ultrasonic.Ranging(CM);
delay(5);
}
if(i>=81 && i<=180)
{
digitalWrite(led2, HIGH);
digitalWrite(led1, LOW);
digitalWrite(led3, LOW);
digitalWrite(A6, LOW);
var=ultrasonic.Ranging(CM);
delay(5);
}
if(i>=180 && i<=255)
{
digitalWrite(led3, HIGH);
digitalWrite(led1, LOW);
digitalWrite(led2, LOW);
digitalWrite(A6, HIGH);
var=ultrasonic.Ranging(CM);
delay(5);
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}
if(i>=255)
{
i=0;
}
lcd.setCursor(0, 0);
lcd.print("Tiempo RPM:");
lcd.print(tiempo_una_rev);
lcd.setCursor(0, 1);
lcd.print("RPM: ");
lcd.print(rpm);
lcd.print(" L: ");
lcd.print(var);
delay(200);
lcd.clear();
}
else {
tiempo_anterior = tiempo_ahora;
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}
}
ultimoEstadoRele = estadoRele;
}
if (d==1)
{
lcd.print(" Apagado");
analogWrite(mosf, 0);
}
}