Ingeniería de detalle para la implementación del bloque de identificación electrónica de fichas tipo LEGO en un panel diseñado para la enseñanza de

operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales diferentes

José Vicente Jaramillo#1, Jorge Luis Jaramillo#2

#1 Profesional en formación de la Universidad Técnica Particular de Loja #2 Docente de la Titulación de la Escuela de Electrónica y Telecomunicaciones de la Universidad Técnica Particular de Loja

Loja, Ecuador 2015

1jvjaramillo1@utpl.edu.ec, 2jorgeluis@utpl.edu.ec

Resumen— Se describe la ingeniería de detalle requerida para la implementación de un bloque de reconocimiento electrónico de fichas tipo LEGO, a utilizar en un panel para la enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales diferentes.

Palabras claves— enseñanza de matemáticas, niños con

capacidad visual diferente, LEGO, reconocimiento electrónico de fichas tipo LEGO.

I. INTRODUCCIÓN En el semestre de septiembre 2013, en la Sección de Energía

y Electrónica SEE del Departamento de Ciencias de la Computación y Electrónica DCCE de la UTPL, se recibió un pedido por parte de Sección de Diseño, Proyectos Arquitectónicos y Urbanismo, del Departamento de Arquitectura y Artes de la UTPL para el apoyo en el diseño e implementación de un panel electrónico para la enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales especiales.

Como respuesta a este pedido, se estableció un equipo de

trabajo que en trabajos anteriores justificó la adaptación de los diseños LEGO para cumplir con los objetivos planteados [1], [2], [3]. Y, en [4] se mostró los resultados obtenidos en la etapa de diseño del bloque de reconocimiento electrónico de fichas tipo LEGO.

En este documento se describen los resultados obtenidos en

la etapa de ingeniería de detalle requerida para la implementación del bloque diseñado.

II. METODOLOGÍA DE ABORDAJE

Definido el diseño del bloque de reconocimiento electrónico

de fichas tipo LEGO, se estableció una metodología de abordaje de la etapa de ingeniería de detalle 4 etapas: identificación de pendientes, ingeniería de pendientes, diseño mecánico del panel, y, fase de pruebas preliminares.

III. IDENTIFICACIÓN DE PENDIENTES

De acuerdo con [1] es necesario que el panel cuente con

salida de audio, un switch de encendido, y un pulsador. Además, a criterio del equipo de trabajo, se decidió incluir señales luminosas, y un circuito de alimentación.

En definitiva, se decidió atender como pendientes al diseño

en un módulo de audio, al diseño de un módulo de señales luminosas, y, al diseño de un módulo de alimentación.

IV. INGENIERÍA DE PENDIENTES

A. Ingeniería del módulo de audio

En el marco de este proyecto, se desarrollará la capacidad

operativa en el procesador para generar mensajes de audio, que orienten al usuario sobre la operación correcta o incorrecta del panel. La decisión final sobre la cantidad y tipo de mensajes audibles será abordada por un equipo de trabajo diferente, conformado para diseñar e implementar la base del panel.

Debido a que el procesador utilizado en este trabajo (Atmega

32A) carece de la capacidad de generar señales analógicas, es necesario prever la conversión de señales moduladas por ancho de pulso PWM (generadas en el procesador) en su equivalente de audio, siguiendo el proceso de conversión mostrado en la Fig. 1.

De acuerdo a [5], se requiere de un filtro pasa bajas para transformar la señal PWM a analógica. Según [6], al utilizar una señal PWM se puede aprovechar las limitaciones físicas de un altavoz dinámico, como filtro pasa bajas. Al ingresar una frecuencia mayor a aquella en la que el dinámico puede vibrar, se promediará la señal consiguiendo un efecto de filtro similar al requerido. La Fig.2 muestra el esquema propuesto para el circuito de audio del panel. De acuerdo a las características del dinámico descritas en la Tabla 1, el valor de corriente máxima en el colector del transistor U2 se estimó en 750mA. De acuerdo a [7], el valor de la resistencia de R3, se calculó en 560Ω, utilizando la expresión (2). Las características eléctricas del transistor U2 se pueden encontrar en la Tabla 2.

Fig. 1. Esquema de conversión de una señal PWM a una analógica.

[Autores].

Fig. 2. Circuito de audio propuesto para el panel [Autores].

� � V� V�� ����I� (1)

En dónde, R, es el valor de la resistencia del resistor R3,Ω V��, es el valor del voltaje de entrada (PWM), V. V�� ����, es el valor del voltaje de saturación base- emisor en

U2, V. I�, es el valor de la corriente en la base de U2, A. Por su parte, la corriente en la base del transistor se calcula a través de la ecuación (2):

I� � I�h�� (2)

En dónde, I�, es el valor de la corriente en la base de U2, A. I�, es el valor de la corriente en el colector de U2, A. h�� , es el valor de la ganancia de corriente de U2.

Tabla 1. Características técnicas del dinámico EVL SP-328.

Parámetro Símbolo Típico Unidad

Resistencia eléctrica R 8 Ω

Potencia P 2 W

Tabla 2.

Características técnicas del transistor TIP31c [8]. Parámetro Símbolo Típico Unidad

Corriente máxima en el colector I!"#$ 3 A

Ganancia de corriente en DC ('( � )*+,-� h.� 120

Voltaje de saturación base-emisor ('( � )*+,-� V�� sat� 0.8 V

En el marco de este proyecto, para el audio se utilizará un

tono senoidal, de características similares a la señal presentada en la Fig. 1. Entonces, utilizando la expresión (3) recomendada en la bibliografía [9], los valores RMS de la señal se calcularon en 3,06 para voltaje, y 0,38 para intensidad de corriente, obteniendo un valor de 1.16W de potencia.

4567 � 819: 4; ��<�=>

(3)

B. Ingeniería del módulo de señales luminosas

El módulo de señales luminosas brindará información al

usuario sobre la realización correcta o incorrecta de las operaciones matemáticas, y, se apoyará con señales audibles. Para la identificación visual de una operación correcta o incorrecta, el equipo de trabajo decidió utilizar los arreglos mostrados en la Fig.3. Una operación correcta se mostrará con un “visto”, formado por diodos LED estándar, de color verde, de 5mm. Una operación incorrecta se mostrará con una “X”, formada por diodos LED estándar, de color rojo, de 5mm. Las características eléctricas de los diodos LED se muestran en la Tabla 3.

Fig. 3. Arreglos propuestos para la señalización luminosa [10].

Tabla 3.

Características eléctricas del diodo led de alto brillo rojo y verde de 5mm RC301-05, GC451-03, [11].

Parámetro Símbolo Típico Unidad

Corriente sugerida en polarización directa I. 20 mA

Voltaje en polarización directa (rojo) V. 2 V

Voltaje en polarización directa (verde) V. 3.1 V

La Fig.4 muestra el esquema de conexión de los diodos en el

módulo de señalización luminosa. De acuerdo a [12], los valores de las resistencias de R4 y R5, se calculan a través de la expresión (4), obteniendo un valor de 100 y 150Ω respectivamente (aproximado al valor comercial más próximo). El esquema incluye un transistor (ver Tabla 4) configurado como interruptor, en cada grupo de diodos LED, para suplir la corriente requerida.

Fig. 4. Esquema de conexión de diodos en el circuito de señales

luminosas [Autores].

R � V�� V.I. (4)

En dónde,

R, es el valor de la resistencia del resistor,Ω. Vcc, es el valor del voltaje en corriente continua, V. V., es el valor del voltaje en polarización fija, V. I., es el valor de la corriente en polarización fija, A.

Tabla 4. Características técnicas del transistor 2N2222, [13].

Parámetro Símbolo Típico Unidad

Corriente máxima en el colector I!"#$ 600 mA

Ganancia de corriente en DC ('( � A++,-� h.� 175

Voltaje de saturación base-emisor ('( � A++,-� V�� sat� 0.9 V

Ganancia de corriente en DC ('( � D++,-� h.� 140

Voltaje de saturación base-emisor ('( � D++-� V�� sat� 0.9 V

Según [7], el valor de las resistencias de R6 y R7, se calculan a través de la ecuación (5). Considerando las recomendaciones descritas en la bibliografía [13] se obtuvo los valores de 3y 1.5KΩ, respectivamente.

R � V�� V��I� (5)

En dónde, R, es el valor de resistencia del resistor en la base,Ω. Vin, es el valor del voltaje de entrada, V. V��, es el valor del voltaje base-emisor, V. I�, es el valor de la corriente de la base, A.

C. Ingeniería del módulo de alimentación

El módulo de alimentación responde al circuito mostrado en

la Fig. 5, y, permite alimentar el panel desde una batería, recargar la batería, y, alimentar desde la red pública. De acuerdo a [14] y [15], el valor de la resistencia R8 se calcula a través de la expresión (8), obteniendo un valor de 22Ω, para una intensidad de 57mA. Las características técnicas de los componentes a utilizar se muestran en las Tablas 5 a la 7.

R � 1250 ∗ I (8)

En dónde, R, es el valor de resistencia del resistor R8,Ω. I, es el valor del intensidad de carga de las baterías, A.

Fig. 5. Esquema electrónico del circuito de alimentación [Autores].

Tabla 5.

Características técnicas del limitador de corriente LM317, [14]. Parámetro Símbolo Típico Unidad

Corriente máxima de salida IJ"#$ 2.2 A

Voltaje máximo de salida VJ"#$ 37 V

Tabla 6. Características técnicas del regulador de voltaje 7805, [16].

Parámetro Símbolo Típico Unidad

Voltaje máximo de entrada VK 35 V

Corriente máxima de salida IJ"#$ 1 A

Tabla 7.

Características técnicas de la batería GP Ni-MH 60AAM3BMU, [17].

Parámetro Símbolo Típico Unidad

Voltaje V 3.6 V

Capacidad mínima C"KM 600 mA

Tabla 8.

Resumen de características de resistores. Resistor Resistencia Potencia

R3 560Ω 1 4⁄ W

R4 270Ω 1 4⁄ W

R5 7.5 kΩ 1 4⁄ W

R6 4.2Ω 1 4⁄ W

R7 22 Ω 1 4⁄ W

V. DISEÑO MECÁNICO DEL PANEL

A. Diseño de cubierta y circuitos impresos

Garantizada la operatividad del diseño electrónico propuesto,

se diseñó la cubierta del panel (ver Fig.6) y los circuitos impresos de operación y de señales luminosas (ver Fig.7), y de alimentación y señales de audio (ver Fig.8). Para el diseño se utilizó los recursos del aplicativo Proteus v.7.10 [18]. y (ver Fig.7 y Fig.8).

La carcasa del panel consta de una caja base y de una

cubierta. En este trabajo se atendió el diseño de la cubierta, que se construyó en una impresora 3D tipo Makerbot Replicator 2 [19], cuyo espacio de trabajo limitado obligó a dividir la impresión en 4 segmentos (ver Fig. 9).

Fig. 6. Diseño físico de la cubierta del panel [Autores].

Fig. 7. Circuito impreso de operación y señales luminosas del panel. [Autores]

Fig. 8. Circuito impreso de alimentación y señales de audio del panel.

[Autores]

Fig. 9. Segmentación de la cubierta en cuatro segmentos para

impresión 3D. [Autores]

B. Diseño de la estrategia de ensamblaje

Para el ensamblaje de los circuitos impresos dentro de la

carcasa del panel, se planteó la estrategia mostrada en la Fig. 10.

Una vez ubicados los elementos electrónicos en los circuitos

impresos, la cubierta se une a la tarjeta de operación y señales luminosas. A esta última se añade la tarjeta de alimentación y señales de audio, y, la tarjeta del bloque de control (de diseño pendiente). Cada tarjeta se fija con pernos y tuercas (ver Fig. 11), y, se apoya sobre soportes (ver Fig.12). Las tarjetas electrónicas están separadas entre sí 1.2cm, utilizando el aire como aislante eléctrico. La decisión final sobre el material, diseño y armado de la caja base será abordada por un equipo de trabajo diferente.

Fig. 10. Estrategia de ensamblaje del panel [Autores]

Fig. 11. Fijación de las tarjetas electrónicas en el panel [Autores]

Fig. 12. Aislamiento electrónico y mecánico de las tarjetas en el

panel [Autores]

C. Construcción de tarjetas electrónicas

Para la construcción de las tarjetas electrónicas, se utilizó el método de planchado descrito en [20]. En la etapa de impresión del circuito, con ayuda de una impresora a laser, se imprimió las pistas de los circuitos diseñados, en papel de termo transferencia (ver Fig.13).

Fig. 13. Circuito impreso en papel termo-transferencia a laser.

[Autores] En la etapa de preparación de la placa, se recortó la placa

PCB al tamaño requerido, y, se lijó la placa para eliminar impurezas sobre el cobre. En la etapa de grabado de placa, se utilizó calor para transferir las pistas del papel de termo-transferencia a la placa PCB, obteniendo el resultado mostrado en la Fig.14

Fig. 14. Circuito grabado en placa de cobre PCB. [Autores]

En la etapa de lavado de la placa, se utilizó cloruro férrico,

lana de acero, y acetona, para obtener el producto mostrado en la Fig. 15.

Fig. 15. Circuito impreso en placa de cobre PCB. [Autores]

En la etapa de perforado de placa y montaje de

componentes, se realizaron perforaciones de 0.8 y 1.2mm de diámetro, y, se soldó los componentes electrónicos de acuerdo al diseño (ver Fig. 16.)

Fig. 16. Tarjeta de operación y señales luminosas del panel

terminada. [Autores]

VI. PRUEBAS PRELIMINARES DE FUNCIONAMIENTO Dada la naturaleza del proyecto, se requerirá de pruebas de

campo protocolizadas para calificar adecuadamente el desempeño integral del panel. En esta etapa, se acordó realizar una serie de pruebas preliminares para validar la capacidad operativa del panel.

Para verificar la operatividad del módulo de audio, se utilizó

un algoritmo para emisión de audio PWM, reproduciendo la frase “It;s working” [21]. El algoritmo se implementó en un controlador Atmega 32A, conectado a la tarjeta electrónica respectiva. Utilizando el aplicativo Sound Meter [22], se midió la potencia acústica a 20cm del dinámico, registrando un nivel promedio de 63dB. Ya que de acuerdo a [23], 60dB se considera un nivel aceptable para mantener una conversación convencional a 90cm de distancia, los resultados obtenidos muestran que el sonido reproducido será perceptible para el usuario.

Para verificar la operatividad del módulo de señales

luminosas, se conectó el controlador Atmega 32A a la tarjeta electrónica, y se generó una secuencia de comandos correcto – incorrecto, corroborando el funcionamiento de los arreglos de LEDs (ver Fig. 17).

Fig. 17. Operatividad de los arreglos de LEDs del módulo de señales luminosas [Autores]

Para validar la operatividad del módulo de alimentación, se

midió el voltaje de salida en diferentes escenarios de uso (en vacío, a media carga, y, a full carga). Se considera que, en un correcto funcionamiento, el voltaje no será menor a 4.5V, y que la corriente de carga de las baterías no será mayor a 60mA [15]. Los resultados mostraron que el voltaje de circuito abierto es de 5V, y, que el voltaje a full carga es de 4.80V. En todos los escenarios estudiados, la intensidad de carga de la batería fue de 57mA. En este contexto, se confirmó la operatividad del módulo.

Para verificar la operatividad del módulo de operación

(reconocimiento de fichas), se utilizó una ficha de prueba (ver Fig.18). Modificando la posición de las superficies refractarias en la ficha de prueba, se midió el voltaje a la salida del

circuito, y, utilizando un controlador Atmega 32A se comprobó la correspondencia con lo esperado.

Fig. 18. Ficha de prueba para el bloque de identificación

electrónica. [Autores]

VII. CONCLUSIONES

• En este trabajo se ha diseñado a detalle la electrónica del panel de panel para la enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidad visual especial.

VIII. REFERENCIAS

[1] Bermeo. Figueroa. Lima. Ochoa. Peña. Romero. Jaramillo, «Análisis de opciones de optimización de un panel electrónico diseñado para enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales especiales,» Loja, 2014.

[2] Bermeo. Figueroa. Lima. Ochoa. Peña. Romero. Jaramillo, «Diseño de un panel electrónico para la enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidad visual especial, basado en la utilización de fichas tipo LEGO,» Loja, 2014.

[3] Bermeo. Figueroa. Lima. Ochoa. Peña. Romero. Jaramillo, «Diseño de las fichas tipo LEGO a utilizar en el panel electrónico para la enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidad visual especial,» Loja, 2014.

[4] Jaramillo, Jorge. Jaramillo, José, «Diseño del bloque de identificación electrónica de fichas tipo LEGO en un panel diseñado para la enseñanza de operaciones matemáticas básicas a niños con capacidades visuales diferentes,» 2015.

[5] Microchip, «Using PWM to Generate Analog Output,» 1997. [En línea]. Disponible en: http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/00538c.pdf. [Último acceso: 28 Enero 2015].

[6] J. Leonard, «Sound Devices and Techniques,» Oldskool.org, 6 Diciembre 2014. [En línea]. Disponible en: http://www.oldskool.org/sound/pc/#digitized.

[Último acceso: 25 Marzo 2015].

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http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_4.html. [Último acceso: 03 Marzo 2015].

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[10] M. J. Romero, Loja, 2015.

[11] PCBOARD, «LED Technical Specifications,» [En línea]. Disponible en:

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[20] F. Rey, «Como hacer una placa de circuito impreso empleando el método de transferencia de tonner,» [En

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s.pdf. [Último acceso: 05 Abril 2015].

[21] T. Regit, «AVR, PCM audio,» 8 Noviembre 2010. [En línea]. Disponible en:

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[22] Smart Tools co., «Sonómetro : Sound Meter,» 6 Febrero 2015. [En línea]. Disponible en:

https://play.google.com/store/apps/details?id=kr.sira.sound&hl=es_419. [Último acceso: 9 Abril 2015].