UNIVERSIDAD PANAMERICANAElectrónica Proyecto Final SEGUIDOR DE LÍNEA Integrantes Arguelles Méndez Luis Romero Valencia Marco Antonio Seguidor de Línea Introducción Como proyecto final de la materia de electrónica se decidió implementar el amplificador operacional con el robot seguidor de línea. El objetivo es que el robot pueda detectar una pista de color negro en el piso y seguirla sin salirse. Para ello se necesita diseñar un control simple con el OpAmp en configuración de comparador. Nos basamos en un seguidor de línea de competencia, aunque el nuestro no fuera para tal propósito, sin embargo nos ayudó a salir de varios problemas y tener una base sólida. A continuación se enlistaran los pasos de diseño así como las bases que se tomaron para el mismo. Sensores El primer paso en la construcción fue la selección de los sensores para la pista negra. Como ya se mencionó anteriormente, estos son la base fundamental del diseño ya que permiten al robot permanecer en el curso deseado. Después de investigar un poco se encontró que no importa la pista (negra/blanca) los sensores son siempre los mismos, la diferencia de que siga uno u otro color radica en el diseño del control. Los sensores de línea constan básicamente de un led infrarrojo y un fototransistor. Sin embargo en vez de comprar los componentes por separado se eligió un encapsulado que trae estos componentes ya integrados: el QRD1114. El diagrama muestra la configuración de nuestro sensor, lo que sucede es que cuando el led infrarrojo refleja la luz en el fototransistor polariza la base y lo cierra con lo cual tenemos: -Negro-5V (o Vcc que estemos polarizando) -Blanco-0V (o muy bajo) Además por ser un led tiene que llevar una resistencia, nosotros usamos una de 330 conectada al ánodo y conectamos tierra al cátodo. Al colector del transistor colocamos una resistencia de 10k y ésta a su vez a Vcc, aquí es donde obtenemos nuestro voltaje de salida, y el emisor a tierra. Resultando lo siguiente: Esto se efectúa 2 veces ya que necesita saber el robot si se sale por la derecha o por la izquierda. Motores de DC Otro punto fundamental son los motores, ya que van a lograr mover al robot. Teníamos 2 opciones motores o motorreductores. Al ser un proyecto y no una competencia de seguidores de línea decidimos ir por motorreductores a 12V. Esto porque íbamos a pelear mas con la reducción de los motores que con el control electrónico del robot, que era lo que más nos interesaba. Los motorreductores son los siguientes: Motor GORILLA a 12V Material: Plástico (polipropileno) Eje: Plástico (alto impacto) con orifico interior para tornillo Dirección de Rotación: bidireccional Caja de Engranes: Plástico Torque: 3 kgf*cm Velocidad sin Carga: 220± 10% rpm Temperatura de Operación: -10°C ~ +60°C Humedad Soportada: 20% ~ 70% Voltaje: 12V DC constantes entre terminales Relación de Reducción: 1:48 Corriente con Carga: 0.6 A Corriente sin Carga: 0.09 A Max. PESO: 30 g RUIDO ELECTRICO = En operación sin carga a una distancia de 100mm entre el micrófono y el motor se aplica la prueba de ruido eléctrico donde se encuentra que la caja de engranes tiene un ruido de 75 db y el ruido en el motor es de 50 dB máximo. También se compraron 2, con sus respectivas llantas. Baterías y Reguladores Uno de los más grandes problemas a resolver en el robot es el peso. Tenemos un círculo vicioso de Potencia>Baterías>Peso>Potencia>Baterías>Peso… esto quiere decir que si se quiere más potencia se necesitan más baterías, pero más baterías es más peso y para compensar se necesita más potencia y así sucesivamente. Para no meternos mucho en este círculo decidimos una solución: reguladores de voltaje. Lo que usamos fue 2 pilas cuadradas de 9V como fuentes de voltaje. Con esto teníamos aproximadamente 18.5-19V. Sin embargo necesitábamos 12V variables para la velocidad del robot, ya que si iba muy rápido y se salía necesitaríamos cambiar la velocidad, y además 5V para el driver de los motores (se tomará este punto más adelante). Usamos LM317t: La configuración que usamos fue poner capacitores de 100uF a la entrada y salida para eliminar ruido, además de un potenciómetro de 10k para ajustar la salida de 5 y 12V, dando como resultado: No se uso disipador ya que el poco tiempo que se usa el robot no alcanza para calentar demasiado los reguladores. Control con OpAmp Como control pusimos OpAmps en su modo comparador, en un momento explicaremos como funciona. • Conectamos la salida de los sensores al (–) del OpAmp estableciéndola así como nuestro Vin • Siguiente de la salida del LM317t que da 5V sacamos un potenciómetro de 10k y de ahí al (+) del OpAmp teniendo nuestro Vref establecido. • Usamos un LM339N que son 4 OpAmps en 1 solo CI. La ventaja de éste sobre muchos otros esq nos ahorramos 1 fuente (la negativa) pues solo se conecta a Vcc y GND. Un detalle importante es que a la salida lleva una resistencia de 10k a Vcc. • Funciona de la siguiente manera: Cuando el sensor esta en negro manda 5 V mientras el Vref se ajusta a 4.5V con el potenciómetro, esto nos da como salida 0V en el OpAmp. Cuando entra el blanco, baja el voltaje y en el momento que es menor a 4.5V la salida se satura a 5V. • Este control se usa debido a que la respuesta de los sensores es bastante mala. Por un lado son lentos en responder y por otro dependen en gran manera de la distancia a la que estén de la pista (comprobamos que la óptima son 3mm) esto quiere decir que puede estar en blanco y mandar 3V. Esto se soluciona con el OpAmp ya que manda a los motores 0V o bien 5V. Driver de Motores Comprobamos que los motores con carga trabajan a 650mA, una corriente bastante peligrosa en el circuito. Por lo que se necesita de un driver para motores. Se uso el L29B pues aguanta hasta 1A. Sin embargo no trae diodos de protección para las corrientes de reversa, por lo que usamos el 1N4007 para tal propósito. Se tomó la configuración inferior derecha pues, como ya vimos al estar los sensores en negro tenemos 0V a la salida del OpAmp por lo que los motores deben encender con 0V. Algunas notas: -Pines 1 y 9 corresponden a los ENABLE de los lados derecho e izquierdo y deben estar en 1 para que el CI funcione. -Pines 4, 5, 12 y 13 deben ir a GND -Pin 16 Vss corresponde a ajustar el “1” lógico del dispositivo (en nuestro caso 5V) -Pin Vs corresponde al voltaje de trabajo de los motores (en nuestro caso 12V) Diseño en PCB Como se dijo en la introducción se tomaron varios diseños para el formar el nuestro: El primero nos dio una idea más clara de un seguidor de línea casero. Mientras que el segundo es el seguidor de línea de competencia. Nuestro circuito quedo así: Y la tarjeta así: Producto Final Conclusiones del proyecto Este proyecto nos gustó mucho, ya que aprendimos muchas cosas aparte del uso de amplificadores operacionales, inicialmente nuestro objetivo estaba enfocado a realizar un carro seguidor de línea estilo competencia, con mucha mayor rapidez y respuesta a las curvas. Una vez fijado ese objetivo nos encontramos con muchos obstáculos a superar, ya que no conocíamos el funcionamiento de varios componentes, lo cual arreglamos fácilmente con las hojas de especificaciones. Otro problema que nos encontramos fue en la parte mecánica, ya que por la parte electrónica entender el funcionamiento del diseño base que teníamos era muy sencillo de entender lo que hacían los amplificadores, que en este caso servían para comparar el voltaje que arrojaban los sensores, para así poder mandar corriente a alguno de los motores, pero por la parte de mecánica los motores que usa el diseño eran motores normales con reducciones de engranajes hechas a la medida y que no se especificaban, por lo que tuvimos que emplear moto reductores, que ya traen juegos de engranes antes de la salida del motor, este problema nos fue orillando a ir cambiando el diseño base de nuestro carrito seguidor, por lo que decidimos emplear la misma parte electrónica pero cambiando a un simple seguidor de línea de baja velocidad que gira a partir del principio de dos motores que toman un cierto valor de voltaje y cuando un sensor no registra nada uno de los motores se detiene y el carro empieza a dar vuelta. Después de todo esto decidimos armar el circuito en protoboard para verificar un buen funcionamiento de los motores, pero cometimos un error al no manejar el driver con lógica ttl, en este punto fue cuando investigamos mas en el diseño de los carros seguidores hasta llegar a modificarlo cambiando algunos componentes, para simplificar el circuito, ya que de amplificadores solo maneja el comparador, que era lo que más nos interesaba el manejo y funcionamiento de un amplificador operacional. Para finalizar el montaje del carro fue más rápido, con algunas complicaciones como algunos componentes que no estaban bien soldados se movieron de su lugar y afectaban el funcionamiento del coche. Este proyecto nos ayudo mucho y nos abrió el camino hacia otros temas como pic´s para un mejor control del coche, servomotores para la dirección, otro tipo de sensores para que registre luz y diversos colores, en general fue un buen punto de partida para otras materias y temas dentro de la electrónica en general. Nos gusto mucho llegar a realizar un proyecto así nosotros mismos, aprendiendo cosas nuevas y viendo lo que podemos llegar a realizar por nuestra propia cuenta