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Proyecto de la Grúa




Enviado por fredyesc128



    1. Análisis y
      Diseño
    2. Diagramación y
      Experimentación
    3. Prototipos Pruebas y
      Troubleshoting
    4. Conclusiones
    5. Bibliografía

    Introducción

    El reporte que se presenta a continuación
    consideramos es de vital importancia ya que describe un proyecto que
    consiste en construir una grúa que sea capaz de levantar 1
    libra y para lo cual debemos ser capaces de utilizar un motor tipo
    stepper (de pasos) y diseñar y construir; un circuito
    combinacional que con la ayuda de un "reloj", tren de pulsos
    podamos enviarle la secuencia correcta al stepper para que este
    pueda moverse.

    Nos hemos dado cuenta que debido a lo difícil que
    es diseñar y construir un dispositivo, siempre es bueno
    guardar de forma segura todo el trabajo
    elaborado ya que puede servir para futuras referencias y como el
    destruir o desarmar el circuito es inevitable a pesar de la
    lastima que da desarmar todo un trabajo que
    lleva días elaborar, al menos todo el proceso puede
    quedar resguardado en un reporte final en el cual se especifiquen
    todos los detalles, ideas, problemáticas y soluciones que
    se dieron en el desarrollo del
    proyecto.

    De manera que el reporte que se le presenta esta
    elaborado cuidadosamente para que ningún detalle quede
    perdido y todo eso para cumplir con el objetivo de
    poder servir
    de guía para futuras generaciones y de referencia tanto de
    nosotros mismos como de otros estudiantes de la
    carrera.

    Análisis y
    Diseño

    En esta fase, analizamos varias ideas ya que para hacer
    este circuito hay varias soluciones.

    Entre las posibles soluciones que teníamos como
    opción están las siguientes:

    Opción 1:

    Armar el circuito con un Oscilador (555), Contador
    (74LS191), Memoria UV EPROM,
    Optoacopladores (PC-817 Sharp) y Transistores Tip
    120 para amplificaron de potencia.

    Esta opción implicaba construir el generador de
    tren de pulsos "reloj" a partir de un integrado 555 el cual
    alimentaría un contador de 0-15 decimal el cual a su
    salida tendría 4 bits ya que (2 bits) elevado a la 4 es =
    a 15.

    Esta salida de 4 bits asignaría la dirección de la memoria
    EPROM que debería ser programada con un programa llamado
    4gw de BKPrecision Electronics utilizando una computadora y
    una programadora de EPROM’s.

    Al direccionar la EPROM el contenido de dicha
    dirección saldría por 4 bits los cuales
    serían la secuencia programada para mover el motor
    stepper.

    Sin embargo debido que el motor esta formado por 2
    bobinas que al no tener corriente circulando por ellas buscan
    descargarse (feedback) y el voltaje de alimentación
    generalmente es mayor a 5 voltios (lógica
    TTL) se debía ingeniar un método
    para separar la parte análoga de la digital y para ello
    serían necesarios unos Optoacopladores los cuales son unos
    integrados que dentro tienen un fotodiodo y un fototransistor o
    sea que funcionan con luz y por lo
    tanto únicamente permiten el paso de corriente en 1 solo
    sentido sin embargo su salida es negada.

    Del otro lado de los Optoacopladores, se busca
    amplificar la potencia del motor. Para ello se utilizarán
    transistores con saturación en el colector buscando un
    beta muy grande para luego conectar el motor stepper y diodos al
    colector de este transistor.

    Opción 2:

    Armar el mismo circuito anteriormente explicado con la
    única variante de que en lugar de utilizar una memoria
    EPROM se utilizarán Multiplexores
    tantos como la secuencia de movimiento lo
    demande. Por ejemplo:

    Si tenemos una secuencia:

    ABCD

    1001 à 9

    1010 à A

    0110 à 6

    0101 à 5 Donde AB es una bobina y CD la
    otra

    tendremos un MUX por cada columna de la tabla de
    combinaciones de la secuencia del stepper.

    1

    0 Bit de salida X 4 veces para cada Bobina, si la
    secuencia se incrementa el tamaño del mux
    variará

    Dir del contador para A

     Opción 3:

    Utilizar flip flops tipo "d" con el objetivo de que el
    circuito sea más pequeño ya que no se
    utilizará un contador pues los flip flops podrán
    almacenar dentro de ellos un 1 o un 0 mientras no se cambie de
    estado.
    Siempre utilizar transistores darlington para amplificar la
    potencia del motor.

    Opción 4:

    La mas fácil de todas, comprar un motor stepper
    con driver controlador el cual es un integrado que permita
    manipular el motor sin necesidad de construir un mayor circuito
    para ello. La cual fue descartada debido que no pudimos comprar
    el motor en mención.

    Opción N:

    Muchas otras opciones que ni siquiera fueron
    consideradas.

    Finalmente después de evaluar cual era la
    opción mas factible y accesible para nosotros, nos
    inclinamos por la número 1 ya que esa opción es la
    que involucraba mas "investigación" por parte nuestra ya que
    utiliza muchas fases que nunca hemos trabajado antes como la
    parte del contador, el reloj y por supuesto la programación de una "Erasable and
    Electrically Programmable Memori" EPROM.

    Las demás opciones fueron descartadas debido a su
    alto costo o a que no
    estamos muy familiarizados con los flip flops.

    El diagrama de
    bloques del proyecto es como sigue:

     Para ver el
    gráfico seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior

    Diagramación y
    Experimentación

    En esta fase, nos dedicamos a diseñar cada uno de
    los componentes que conforman el proyecto y acomodarlo. Todo
    mediante simulación
    utilizando el simulador Circuit Maker.

    En la simulación incluimos todas las fases y nos
    sirvió para poder hacer una lista de los componentes que
    necesitábamos.

    La simulación quedo de la siguiente
    manera:

     Para ver el
    gráfico seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior

    El listado de los componentes es el
    siguiente:

    Integrados:

    1 Integrado 555.

    1 Contador 74LS191

    1 Decodificado BCD-7Segmentos 7447

    1 Display ánodo común.

    2 Compuertas Negadoras 74LS04

    1 Compuerta Or 74LS32

    1 Compuerta Xor 74LS86

    4 Optoacopladores PC 817

    1 Memoria EPROM 27XXX

    Transistores:

    4 Transistores Darllington Tip-120 NPN.

    4 disipadores tipo TO.220 para los transistores
    darlington con sus tornillos.

    Control:

    2 Push Buttons.

    Resistencias:

    2 Resistencias
    de 1K Ohms Para el 555

    7 Resistencias de 250 Ohms Para el Display

    2 Resistencias de 1K Ohms Para los push
    buttons

    4 Resistencias de 100 Ohms Para el ánodo del
    fotodiodo del opto acoplador.

    4 Resistencias de 5K Ohms Para el fototransistor del
    opto acoplador.

    4 Resistencias de 3K Ohms Para la base del transistor
    amplificador de potencia.

    1 Potenciómetro de 10K

    Diodos:

    1 led verde para la oscilación del 555

    4 diodos de 2 Amperios para el colector del transistor
    amplificador Tip-120

    Filtros:

    1 capacitor electrolítico de 4.7 micro faradios
    Esta capacitancia es la que van entre las patas 2, 6, 5 y
    determina la velocidad de
    oscilación y por consiguiente la velocidad del motor.
    Puede variar entre 10 micros y 50 micros.

    1 capacitor cerámico de 0.043 micro
    faradios.

    Diagrama del generador de pulsos
    555:

     Diseño del control de la
    grúa:

    Se diseñaron dos botones para mover la
    grúa para arriba y abajo, cuando no se presionan se
    mantiene estable.

    UP

    DOWN

    U/D – 74LS191

    PL – 74LS191

    0

    0

    X

    0

    0

    1

    0

    1

    1

    0

    1

    1

    1

    1

    X

    0

    UD

    0

    1

    0

    X

    0

    U/D = D' + U

    1

    1

    X

    UD

    0

    1

    0

    0

    1

    PL = UD' + U'D

    1

    1

    0

    PL = U xor D

    El diseño
    de las compuertas es de la siguiente manera:

     Para ver el
    gráfico seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior

    Secuencia del motor stepper:

    Para poder encontrar las bobinas en el motor stepper,
    medimos continuidad entre sus 6 cables de esta manera encontramos
    los dos juegos de
    bobinas con su vcc común a cada grupo.

    Luego para saber cuales eran los cables de la bobina,
    medimos la resistencia entre
    ellos dando entre el común y una terminal de la bobina 0.5
    Ohms y entre los dos cables extremos de la bobina 0.9 Ohm por lo
    tanto esos dos cables son los de la bobina y el tercero el
    común de voltaje a ella.

    Debe tenerse en cuenta que cuando el motor se
    desconecta, sus bobinas comienzan a descargarse inversamente por
    lo cual podrían dañar el circuito combinacional al
    cual están conectadas. Por esta razón debe
    colocarse un diodo en inversa en paralelo con la
    bobina.

     Para ver el
    gráfico seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior

    La secuencias ingresadas a la memoria EPROM son las
    siguientes:

    Todas en Hexadecimal.

     Para ver el cuadro
    seleccione la opción "Descargar" del menú
    superior

    Calculo de la resistencia en la base del transistor
    amplificador:

    Debido que utilizamos un transistor Tip-120 con una beta
    = 1000, es necesario calcular la resistencia de base optima para
    que el motor tenga potencia.

    Primero calculamos la potencia del motor, de la
    siguiente manera:

    I motor = V motor / R una fase (bobina) = 4/5 = 0.8
    A.

    Pot = (V motor) (I motor) = (4)(0.8) = 3.2
    Watts
    .

    La potencia del motor siempre debe mantenerse aunque se
    varie la corriente o el voltaje.

    I colector = 0.8 Amperios = corriente que necesita el
    motor.

    I base = ???

    Beta = 1000

    Por lo tanto, como

    IC = (beta)(IB)

    IC = (1000)(IB)

    I Base = I Colector / Beta = 0.8 / 1000 = 0.8 mili
    Amperios

    V R base = V entrante – V base-emisor = 5
    – 2.5 = 2.5 V.

    Para calcular la resistencia de la base ?

    I Rbase = I base = V Rbase / R base à

    R base = V Rbase / I base = 2.5 V / 0.8 mA = 3.125
    K Ohms

    Resistencia de Base Real = 3.125 * (0.8 –
    0.9) = 2.5 K Ohms <= RB <= 3.125 K Ohms

    Es preferible reducir el valor de la
    resistencia para que la corriente en el colecto aumente para que
    de esta manera nos aseguremos la potencia deseada.

    Por lo tanto, para el transistor Tip-120 NPN tenemos
    que:

    • El Emisor va a tierra.
    • La Base va hacia una resistencia de 3K
      Ohms.
    • El Colector va hacia un diodo de 2 Amperios que a su
      vez está conectado a VCC en el cátodo y a la
      bobina en su ánodo.

    El diseño desde los opto acopladores hasta los
    transistores sigue el siguiente esquema
    :

     Para ver el
    gráfico seleccione la opción "Descargar" del
    menú superior

    Prototipos Pruebas y
    Troubleshoting

    Una vez analizado esto, armamos el circuito en
    "galletas" de protoboard y realizamos pruebas a cada fase para
    asegurarnos de que cada parte del proyecto funcionara
    correctamente.

    Primero probamos el 555 con un led para ver si realmente
    oscilaba.

    Luego para comprobar que el contador realmente contaba
    como debía ser, utilizamos un decodificador de BCD-7
    segmentos y un display ánodo común.

    Luego con puntas lógicas verificamos el programa
    de la EPROM

    Nuestro prototipo fue terminado y al probarlo
    definitivamente tuvimos los siguientes problemas:

    Problema:

    Las bobinas del motor se descargaron en sentido
    contrario al apagar el circuito provocando una retroalimentación dando como resultado un
    corto circuito en el circuito, dañando la memoria
    EPROM.

    Solución:

    Colocar diodos en inversa entre el colector del
    transistor y las bobinas (4) del motor stepper. Y conseguir otra
    memoria.

    Problema:

    Los Transistores se calentaban demasiado.

    Solución:

    Colocar disipadores de calor.

    Problema:

    El motor giraba muy lento y sin fuerza.

    Solución:

    Modificamos el diseño del 555, agregando un
    potenciómetro de 10K en R2 y modificando constante mente
    la capacitancia del capacitor de las patas 2,5,6 ya que este
    determina la velocidad de oscilación del 555. Quedando
    fijo uno de 14 micro faradios.

    Problema:

    Valores de
    resistencias, No teníamos una resistencia de 3K la cual
    era necesaria en la base del transistor.

    Solución:

    Colocamos en serie 2 resistencias de 2.2K y
    1K.

    Conclusiones

    1. Este proyecto nos deja una gran experiencia y aunque
      nos quito mucho
      tiempo de
      clases nos deja amplios conocimientos que antes del proyecto no
      poseíamos.
    2. Es muy importante construir dispositivos de este tipo
      para desarrollar la inteligencia
      y habilidad de resolver problemas ya que nos enseña a
      pensar demasiado y a buscar diversas alternativas para resolver
      un problema en particular.
    3. Los sistemas se ven
      inmersos en el proyecto que a pesar de estar relacionado mas
      con la electrónica, siempre existen sistemas que
      crear para controlar el dispositivo o programar. Nos
      enseña a los de sistemas a utilizar diversas herramientas
      como los simuladores y ahora el programa que programa la
      memoria EPROM. Incrementa nuestros conocimientos.

    Bibliografía

    1. NTE ECG Versión 10.
    2. Circuit Maker.
    3. BK Precision.
    4. Internet (muchos PDF’s) DATASHEETS de los
      integrados.
    5. Manuales y ejemplos.
    6. Los cuates, el Ingeniero y Auxiliar.

    Elaborado por:

    Fredy Estuardo Castillo Roca

    Correo Electrónico:

    Carrera:

    Ingeniería en Sistemas

    Universidad Galileo.

    Facultad de Ingeniería en Sistemas Electrónica y
    Ciencias de la
    Computación FISICC.

    Ingeniería en Sistemas.

    Diseño y Construcción de Dispositivos
    Electrónicos

    Guatemala 1 de Abril de 2004

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