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martes, 23 de noviembre de 2010

MEDIDOR DE VELOCIDAD INALÁMBRICO PARA PATINES PROFESIONALES EN LINEA

Manuel Ignacio Forero A, David Rivera Mora.
Talentos TecnoParque Nodo Bucaramanga, Santander Colombia.

Abstract—El objetivo del trabajo fue desarrollar un dispositivo inalámbrico el cual permita a un patinador tener una lectura de su velocidad y programar de mejor manera su entrenamiento, este dispositivo consta de un reloj de mano para que el patinador visualice su velocidad, un sensor encargado de recolectar la información de la velocidad en la rueda y un monitor para el entrenador, el cual muestra la velocidad del patinador en la pista. Todo lo anteriormente mencionado se realizó teniendo en cuenta: las variables a medir, el tipo de transmisión a utilizar, el terreno donde se practica el deporte, la estructura física del patín y el dispositivo para la visualización de la velocidad.

I.INTRODUCTION


El siguiente trabajo de grado es de gran aplicación en la parte deportiva, específicamente en el patinaje profesional sobre ruedas, en el cual nuestro país es potencia y campeón mundial actualmente.

El patinaje de velocidad es un deporte donde se miden tiempos por vueltas (en una pista generalmente de 200 o 300 metros) y se programan entrenamientos basados en la distancia de las pistas. Existen algunas competencias donde se depende del tiempo que dura el deportista en recorrer la pista para hallar los resultados adecuados para estar en la competencia. Observando este caso, se quiere implementar un dispositivo que permita al patinador poder observar su rendimiento y auto-exigirse en sus entrenamientos y no esperar hasta que termine la vuelta para aumentar o disminuir la velocidad.

Basados en los medidores de velocidad de las bicicletas alambricos, surge la idea de implementar un medidor para el patinaje de velocidad, pero con algunas modificaciones, tales como; una conexión inalámbrica ZigBee, desde el sensor inductivo del patín que permite censar la velocidad, hasta el reloj o dispositivo que mostrará la velocidad; esto permite una mayor maniobrabilidad al patinador, ya que el deportista lleva su cuerpo todo en movimiento. Lo anterior no le ocurre a un ciclista, pues solo mueve sus piernas y en la bicicleta solo se mueven las ruedas, permitiendo colocar un sensor fijo a la bicicleta que no se involucre con el ciclista y seria incomodo para el patinador tener un cable desde su pie hasta su muñeca.

Otra modificación fue un monitor que muestra la velocidad del patinador en pista, esto permitirá al entrenador verificar la velocidad de su deportista y poder controlar mejor el entrenamiento y la exigencia dependiendo del rendimiento de ese día; la comunicación con el monitor es inalámbrica y se utilizó el protocolo IEEE 802.15.4 (ZigBee).

El proyecto propuesto en este trabajo de grado, enriquece el estudio de las comunicaciones inalámbricas con tecnología zigBee y esta es una de tantas aplicaciones de se le puede brindar a esta tecnología.


II.DESARROLLO
Para generalizar todo el proyecto mostraremos una breve explicación grafica. (Ver figura 1). La cual explicaremos de forma reducida y explicita en tres partes.

Figura 1: Imagen Juan Nayib Tobon Patinador de Cali Colombia, patrocinado por Bont Zepto en Europa

1: Sensor inductivo.
2: Circuito transmisor zigbee
3: Reloj de mano patinador (receptor zigbee 1)
4: Monitor portátil de mano entrenador (receptor zigbee 2).
Los puntos anteriormente mencionados se pueden observar en la imagen (Ver figura 1).

El dispositivo desarrollado se compone de tres módulos y cada modulo se compone de un transceptor, una CPU y un sensor o pantalla, podemos mirar en la figura 2 un diagrama de bloques de las especificaciones de cada modulo.

Figura 2: Diagrama de bloques del proyecto

Como se puede observar en la figura 1 existen tres módulos que corresponden:

Modulo A (Receptor del patinador).
Modulo B (Receptor del entrenador).
Modulo C (Emisor del patín).

El modulo C es el modulo coordinador el cual toma unos datos de un sensor inductivo y los transmite por medio de zigbee a los otros dos módulos, estos módulos toman los datos y los procesan para ser visualizados en pantallas LCD.

Los tres módulos tienen en común un dispositivo transceptor zigbee (marca xbee), los módulos A y B tienen un xbee de corto alcance (100m) y el Modulo C tiene un alcance mayor (1,5 Km. en campo abierto) La imagen de los transceptores se puede observar en la figura 3.

Figura 3:Transceptor xbee

El modulo A y B solo se diferencian entre si por su pantalla LCD, ya que el modulo B consta de una pantalla LCD de 16 caracteres por 2 líneas y el modulo A consta de una pantalla LCD de 8 caracteres por 2 líneas.

A continuación se explicara cada uno de los módulos más a fondo:

1.MODULO A Y B

Figura 4: Diagrama módulos A y B

Estos dos módulos como se dijo anteriormente tienen una misma configuración que consta de un receptor Zigbee, una CPU (microcontrolador) y una pantalla (ver configuración en la figura 4), donde cada uno de estos dispositivos tiene una función especifica en cada uno de sus módulos.

Daremos una explicación de cada uno de los elementos que componen el modulo y su funcionamiento general, empezaremos explicando la función de la CPU o pic 16f648a, ya que este es el encargado de tomar los datos del xbee, transformarlos y enviarlos a la pantalla para ser visualizados.

La CPU (pic 16f648a), se escogió esta CPU para todos y cada uno de los módulos por su elaboración física ya que al tener 18 pines es un micro bastante pequeño (comparado con otros micros) para lo que se requería con el proyecto.

Los pic necesitan de un reloj externo para configurar su ciclo de maquina y teniendo en cuenta que se necesitaban tomar muestras que eran demasiado rápidas (aproximadamente de 25 ms), se utilizo un cristal o reloj externo de 20 Megas, lo que da un tiempo de muestreo de 50 microsegundos.

La programación del pic se llevo a cabo en C con el programa C compilar para llegar a la programación final se elaboraron los diagramas de flujo mostrados en la figuras 5 y 6, en estas mismas se puede observar el proceso que elabora con los datos obtenidos el pic.

Figura 5: Diagrama de flujo interrupción del receptor

Figura 6: Diagrama de flujo general del receptor



En resumido el programa recibe un valor y este se multiplica por ciertas constantes para hallar la velocidad y se envía a una pantalla para ser mostrado cada cierto tiempo.

La pantalla LCD, tanto la de 16 caracteres por 2 líneas y la de 8 caracteres por 2 líneas, permiten visualizar la velocidad obtenida y dependiendo de el botón que tiene el modulo se muestras la velocidad promedio o la velocidad máxima alcanzada.

El transceptor zigbee permite la comunicación con el modulo C, este transceptor funciona solo como receptor el cual fue configurado para recibir datos del coordinador (modulo xbee ubicado en el patín).

En la figura 7 y 8 encontraran los módulos A y B terminados y se puede observar la diferencia de las pantallas entre ellos.





2.MODULO C


Como los dos módulos anteriores este modulo consta de un transceptor Zigbee y una CPU, pero difiere en ellos ya que en ves de una pantalla tiene un sensor inductivo y una etapa de amplificación, (ver configuración en la figura 9).

Para este caso también se dará una explicación breve de cada uno de los componentes empezando por la CPU (pic16f648). Con respecto a la CPU del modulo A y B las configuración del reloj externo es el mismo de 20 Megas y la programación también fue elaborada en C, peor el programa interno que maneja el pic es totalmente diferente.

En las figuras 10, 11 y 12 se puede observar los diagramas de flujo utilizados para elaborar el programa del emisor


Resumiendo este programa maneja dos interrupciones una por timer esta permite transmitir cada cierto tiempo el valor obtenido por el sensor inductivo y otra por un interruptor externo que incrementa un contador cada que llega una señal al sensor en la rueda y el programa principal esta monitoreando si el patín esta o no en el piso.

Las interrupciones están aparte del programa principal ya que estas se activan en cualquier momento del programa, no se pueden referenciar a una parte específica.

El sensor inductivo consta de una bobina de 10 mh, a la cual se le acerca un imán n veces y este induce una corriente en sus terminales la cual debe ser amplificada.

La parte de amplificación consta de un amplificador operacional de tipo diferencial el lf351 este permite rectificar la señal obtenida en la bobina por una cuadrada y a la salida del lf un mosfet 2n7000 invierte la señal y genera una señal cuadrada de 0 a 5 voltios.

El transceptor xbee permite transmitir los datos obtenidos por la bobina hacia los módulos A y B.

En las figuras 13 se puede observar el modulo del emisor finalizado.



Como se puede obsrvar en la figura 13 hacia la parte inferior derecha se puede ver la etapa de amplificacion el lf351 y el mosfet, hacia la parte superior derecha se puede reconocer el transceptor xbee y hacia el lado izquierdo en la mitad de la baquela se observa la cpu (pic16f648a).

III.PROCESO MATEMATICOS
El objetivo principal del proyecto es obtener la velocidad de un patinador mientras esta entrenado, y para esto se podía obtener fácil de una rueda las revoluciones por segundo o por minuto, pero esta no es una velocidad estándar o fácil de manejar luego esta velocidad se debía llevar bien sea a Km/h o m/s, ante esto se utilizo la siguientes formulas.
Para nuestro caso en especial como se usaron imanes simétricamente en la rueda el perímetro se debía dividir en la cantidad de imanes, entonces:


Al tener revoluciones por minuto, se puede hallar la distancia recorrida en una revolución teniendo el radio o el diámetro de la rueda entonces:



Donde r= radio, d= diámetro, reemplazando en la formula de vel se tiene

Si se toman rpm esto equivale a que se toman n revoluciones en 1 minuto y para el patín se toma el radio en mm, luego reemplazando en (4) la formula quedaría:

Para nuestro caso en especial como se usaron imanes simétricamente en la rueda el perímetro se debía dividir en la cantidad de imanes, entonces:

Las unidades que se tienen en la formula son de milímetros por minutos pero estas se deben llevar a km/h entonces:

Luego multiplicando las constantes quedaría:

Para la parte del programa también se necesito una formula para hallar el tmr1 el cual permite que entre a la interrupción por timer, esta formula fue:
Donde Tiempo se fija según requerimiento, Fosc=reloj externo (para nuestro caso fue de 20 Megas), Preescaler=8 y se halla el tmr1.

IV.RESULTADOS



Después de la etapa de amplificación se obtuvieron las señales esperadas una señal cuadrada en la (parte de arriba de la figura 14) y una señal amplificada de 0 a 5 (parte de debajo de la figura 14).

Se logro que los tres módulos se conectaran entre si y transmitieran la información obtenida desde el sensor en el patín.

Los circuitos impresos finales obtenidos, que se pueden observar en las figuras 7, 8 y 13.

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