Muntatge del nostre projecte: METRE DIGITAL

Aquest any ens hem proposat un nou repte, i els alumnes de primer de batxiller de ciències amb l'ajuda del nostre porfessor de tecnologia industrial hem volgut realitzar un projecte que consisteix en un metre digital.
A hores d'ara ja tenim el projecte quasi finalitzat degut a que prompte hem de presenta-lo a un concurs al qual ens hem presentat, però ací us deixe algunes imatges del mutatge:
                                                                                                         
Muntat l'estructura

La base del funcionament dels nostres sensors 

Procés de muntatge 

Darwin y el árbol de la vida.

Tanto Darwin como su trabajo sobre la evolución biológica, son elementos imprescindibles para comprender cómo funciona la ciencia actualmente.


Darwin, nacido en 1809 en Inglaterra, hijo de un médico acomodado. Su padre le estimuló para que estudiase medicina, por lo que en 1825 fue a la universidad de Edimburgo para tal fin. Sin embargo le pareció horrible la cirugía. Entonces comenzó a oír de historia natural y la evolución de Lamarck.

En 1827 abandonó medicina y fue a Cambridge para hacerse rector y así disponer de tiempo libre. Se aficionó a los escarabajos, hacía excursiones y reuniones con botánicos, y también trabó amistades con profesores.

Esquema general metre amb display LCD

Aquest és l'esquema d'inter-connexionat de tots els elements del metre digital amb mòdul LCD  ADM1602K.
S'ha posat un potenciòmetre pel control del contrast i un interruptor per apagar el llum de backlight i estalviar bateria.
Els sensors s'han simulat amb dos blocs negres, ja que el Fritzing no disposava dels TCRT5000 a la seua llibreria de components.

Prova ràpida Metre Digital

Una primera prova ràpida del metre digital:

• S'ha connectat el display LCD de 2 línies de 16 caracters ADM1602K.
• He trobat aquest esquema de connexionat.
• La llibreria LiquidCrystal ja venia instal·lada per defecte amb l'IDE Arduino.
• I aquest és l'sketch, ja depurat d'alguns errors.

Resultat:

Es veu que no funciona del tot bé, el motiu és que cal ajustar bé la roda de l'encoder, sobretot pel que fa a la distancia entre les marques negres i blanques i els sensors.

Detecció sentit de gir: opto-switches en quadratura

Com a millora del projecte, anem a fer que si la roda gira en sentit contrari, siguen descomptats de la mesura els centímetres recorreguts en sentit contrari. Per aconseguir-ho necessitem una manera que el micro-controlador puga saber en tot moment en quin sentit gira la roda.
Per fer això necessitarem dos sensors, que poden llegir sobre la mateixa pista de quadres o cadascun sobre la seua pròpia pista.
La tècnica consisteix en situar els dos detectors de manera que al girar la roda, els senyals elèctrics estiguen "en quadratura de fase", això és separades un quart (90º) de cicle. En aquesta animació es veu prou clar:

El sensor A és el principal, quan canvia de negre a blanc (el senyal passa de 0 a 1) és quan contem que la roda a girat 1 cm. Si ens fixem:

• Roda girant a dretes: Els impulsos actius (canvis de 0 a 1 al sensor A) coincideixen amb que el sensor B està a 0 (sobre negre).
• Roda girant a esquerres: Els impulsos actius (igual, canvis de 0 a 1 en A) coincideixen ara amb el sensor B a 1 (sobre blanc).

Així cada vegada que al programa hem d'actualitzar la mesura (quan el sensor A passe de 0 a 1), mirem que val el sensor B i incrementem la mesura si b val 0 o la decrementem si val 1.
Evidentment, quin siga el flanc actiu del sensor A (el 0 a 1 o el contrari) i amb quins valors de B s'incrementa o decrementa s'ha agafat com exemple i és fàcilment canviable per programari i és el que caldrà fer per a que el programa s'adapte a la construcció real i incremente amb el gir de la roda avant i decremente amb el gir arrere.

Sensors: Opto-switch reflexius

Per fer els sensors de gir de la roda facilitant la construcció i adjustament mecànic, en lloc de slotted opto-switch anem a fer servir Opto-Switchs Reflexius, com els TCRT5000 que veiem a la imatge i dels quals podem consultar el seu data-sheet. 

El principi de funcionament d'aquests és el mateix que els slotted, però ara el led IR i el foto-transistor estan situats un al costat de l'altre, si el feix IR emés pel Led es troba amb una superfície reflectant (com ara una superfície blanca), aquest es reflectarà i incidirà sobre el foto-transistor, posant-lo en conducció. Si pel contrari troba una superfície que absorbeix els IR (com ara pintada de negre) o no troba cap superfície, el foto-transistor romandrà tallat.

El circuit, al gràfic de la dreta, és molt senzill:

Com en aquest circuit s'ha tret la senyal de l'emissor del foto-transistor, tindrem:

• Quan sensor sobre blanc -> Foto-transistor ON -> Senyal eixida a 1.
• Quan sensor sobre negre -> Foto-transistor OFF -> Senyal eixida a 0.

A sota hi pose una imatge de com queda el sensor, amb els resistors soldats a l'aire:

Una manera molt curiosa d'estalviar energia

Degut al constant encariment de l'energia i a la forta dependència que encara tenim d'una única font d'energia: el combustibles fòssils, constantment s'estan fent recerques als laboratoris d'investigació més importants del món. Per altra banda, mentre no trobem alternatives a la producció d'energia, també hi ha investigacions per l'altra banda de la moneda: disminuir-ne el consum.
Un dels principals consums d'energia el trobem en la producció d'energia tèrmica per l'escalfament de les llars, oficines i edificis amb afluència de gent, sobretot a llocs de clima fred.
L'investigador del MIT Leigh Christie ha tingut una idea genial:

Escalfa la gent, no el lloc!

Es tracta d'enviar energia tèrmica mitjançant radiació infra-roja a cadascuna de les persones, en lloc d'escalfar tot l'ambient. El seguiment de les persones es fa mitjançant un dispositiu Microsoft Kinect.
Més informació a la xerrada que el propi investigador va fer en TED:

Llegit a Hack-a-day... 

Turbines hidràuliques

-Una turbina hidràulica és un mecanisme que aprofita el moviment de l'aigua per transformar-lo en moviment circular.

  -Hi ha dos tipus de turbines hidràuliques:

    

     ·De acció: Són aquelles que es mouen per el xoc directe de l'aigua.

        -Pelton: Necessita una gran altura des d'on caiga l'aigua i no és necesari un gran cabal.

    -De reacció: Són aquelles que es fan moure per la circulació de l'aigua entre elles.

       -Francis: Necessita mitjana altura des d'on caiga l'aigua i cabal mitja.

 

        -Kaplan: No necessita gran altura des d'on caiga l'aigua, però si gran cabal.

Sensors: Opto-switch

El metre digital consisteix en una roda que gira sobre la distància a mesurar, uns sensors detecten el gir d'aquesta roda i envien un pols a l'arduino cada vegada que la roda recorre 1 cm. Aquest conjunt rep el nom d'encoder incremental i és el sistema que es feia servir als antics ratolins de bola.

Quan movem el ratolí, la bola fa girar els dos discos perforats (un disc per als moviments horitzontals i l'altre pel vertical) que interrompen i deixen passar un feix d'infra-rojos emés per un LED IR situat a un costat de la roda. A l'altre costat de la roda hi ha un foto-transistor que conduirà o no segons el feix IR passe pel forat o siga interromput, provocant impulsos que arriben a l'ordinador.
Per fer el nostre encoder rotatiu incremental, podriem fer servir un component electrònic anomenat Slotted Opto-Switch, que podeu vore a la imatge de la dreta. A una part de l'escletxa tenim el Led IR i a l'altra el foto-transistor, per l'escletxa hem de fer passar la roda codificadora, que ha de ser opaca a la radiació IR.
En aquestes imatges de baix podem vore unes imatges d'un encoder construït fent servir aquests tipus de Slotted Opto-Switch:

Al nostre projecte, per facilitar les coses i per vore si podem millorar-les, utilitzarem Opto-Switchs òptics reflexius. En aquests el LED IR i el foto-transistor estan al mateix costat i el feix IR serà reflexat o no segons incideixca sobre una zona de la roda reflexiva (pintada de blanc) o no reflexiva (negra).

Control display multiplex - Llibreria SevenSeg

Com el haver de controlar displays de 7 segments multiplexats és una cosa bastant habitual, hi ha programadors que han programat llibreries per a que no tinguem els altres programadors que re-inventar la roda cada vegada.
Així, a l'Arduino Playground he trobat aquesta llibreria SevenSeg (hi havia vàries més) que ja té pre-programades funcions pel control de diferents displays multiplexats de 7 segments, com podem consultar al seu extens manual d'ús. A l'apartat 4.4 d'aquest manual ens explica com fer ús de les funcions de la llibreria per controlar el display mitjançant interrupcions temporitzades i així poder fer ús de delay() i altres còmputs que requereixen molt de temps de procés per l'arduino i al mateix temps que el refresc continue funcionant sense interrompre's.
Ací tenim un vídeo del display comptant dècimes de segon, utilitzant la funció delay() i per tant refrescant el display per interrupcions temporitzades. També hem fet servir funcions de la llibreria pel control del punt decimal.
Aquest és el programa.

Aquestes tècniques de programació requereixen coneixements que ja queden fora d'aquesta introducció a la programació que estem fent al batxillerat, a més, per les característiques del nostre projecte, no caldrà fer-les servir ja que les altres tasques que ha d'atendre el micro-controlador són poques i no impediran el refresc cíclic del display.

Control display multiplexat - II: comptador

Com el control del display multiplexat necessita que s'estiga refrescant constantment la visualització del display, és extraordinàriament difícil programar la resta de les coses que ha de fer el programa,

Per exemple, no podem utilitzar la funció delay(), ja que l'arduino durant els delay() es queda sense fer res i el refresc s'aturaria.

Per programar açò bé, caldria utilitzar interrupcions temporitzades: fem al cos principal la programació de la resta de coses que ha de fer l'arduino i periodicament, l'arduino és interromput per anar a atendre el refresc del display.

Com a mostra de la dificultat he fet aquest programa, que és un simple comptador.

Un vídeo on es veu aquest programa comptant segons, sembla funcionar bé:

Però si volem comptar centèsimes de segon, és a dir la xifra de les centenes serien segons, falla el programa ja que hi hauria que tenir en compte els mil·lisegons que està dedicant a refrescar el display. Observeu al vídeo com els segons (dígit de les centenes) dura quasi dos segons:

Control display 4 dígits amb multiplex - I

Un programeta ràpid pel control del display multiplexat.
Cada dígit està un temps mostrant-se, controlat per la variable tempsMultiplex, si aquest temps és massa llarg el display tremolarà. Aquest exemple no fa res útil, només mostra pel display la xifra de 4 dígits que li diguem.
Ací està el programa.