UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA La Universidad Técnica Particular de Loja ESCUELA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES MODALIDAD ABIERTA DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA PARA PROYECCIÓN DE IMÁGENES ESTROBOSCÓPICAS BASADAS EN TECNOLOGÍA LED TESIS DE GRADO PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES AUTOR: JIMÉNEZ MIRANDA STALIN DAVID DIRECTOR: ING. MANUEL QUIÑONES CENTRO UNIVERSITARIO LOJA 2009 CERTIFICACIÓN Loja, 5 de Agosto del 2009 Ing. Manuel Quiñones DOCENTE DE LA CARRERA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES DE LA UNIVERSIDAD TÉCNICA PARTICULAR DE LOJA CERTIFICA: Que la tesis titulada “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA PARA PROYECCIÓN DE IMÁGENES ESTROBOSCÓPICAS BASADAS EN TECNOLOGÍA LED” presentada por el señor profesional en formación Stalin David Jiménez Miranda, cumple con los requisitos metodológicos y con los aspectos de forma y fondo exigidos en las normas generales previstas en la obtención de Título de Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones, vigentes en la Universidad Técnica Particular de Loja y de manera especial en la Escuela de Electrónica y Telecomunicaciones, por lo que luego de haberla revisado minuciosamente, autorizo su presentación, sustentación y defensa. Ing. Manuel Quiñones. DIRECTOR DE TESIS CESIÓN DE DERECHO Yo, Stalin David Jiménez Miranda declaro conocer y aceptar la disposición del Art. 67 del Estatuto Orgánico de la Universidad Técnica Particular de Loja que en su parte pertinente textualmente dice: “Forman parte del patrimonio de la universidad la propiedad intelectual de investigaciones, trabajos científicos o técnicos y tesis de grado que se realicen a través, o con el apoyo financiero, académico o institucional (operativo) de la Universidad” F…………………….. Autor DEDICATORIA Para mis padres, Isabel y Alcívar, por su incondicional apoyo a largo de mi vida. Para Alejandro, Didi y Monserrath, por todos los momentos que juntos hemos compartido. Para las mentes inventivas e inquietas, porque sus locas ideas permiten hacer de este mundo un mejor lugar para vivir. AGRADECIMIENTOS A Carlos Carrión y Manuel Quiñones por ser quienes me invitaron a entrar en el maravilloso mundo de los chips. A Jorge Luis Jaramillo por enseñar a las mentes jóvenes –especialmente la mía-, a observar el mundo de una manera distinta. A todas aquellas personas que desinteresadamente comparten sus conocimientos, y, permiten hacer de la INTERNET una fuente de inspiración. INTRODUCCIÓN Los avances en la ciencia no se deben precisamente al descubrimiento de nuevos fenómenos, sino también a un análisis en conjunto de varios fenómenos ya conocidos. En el contexto de este trabajo se pretende presentar una óptica distinta del efecto estroboscópico ampliamente aplicado en el cine. Si fusionamos conceptos estroboscópicos, persistencia retiniana, y, le añadimos plataformas giratorias, se pueden conseguir efectos visuales similares a los hologramas. Este es el concepto básico del funcionamiento de los proyectores estroboscópicos, cuya construcción data de los años 90 del siglo anterior, y, que debido a la ausencia de un tratamiento técnico, sigue en manos de hobbystas y aficionados. Esta investigación tiene como objetivo desarrollar un modelo matemático que traduzca a ecuaciones los aspectos que permiten el funcionamiento de un proyector estroboscópico, diseñar todos los elementos de hardware y de software, y, construir un prototipo funcional del proyector de imágenes estroboscópicas. OBJETIVO GENERAL Y OBJETIVOS ESPECÍFICOS Objetivo General Diseñar e implementar un sistema de visualización de mensajes escritos, mediante el uso de tecnología led monocromática, sistemas microprocesados y conceptos de estroboscopia. Objetivos específicos Analizar matemáticamente el efecto de estroboscopia, y, las características de velocidad de rotación del sistema. Construir un sistema mecánico equilibrado y estable. Seleccionar un sistema de alimentación óptimo para la etapa electrónica del sistema. Diseñar los algoritmos necesarios para el despliegue de mensajes escritos, mediante el uso de tecnología led monocromática. Diseñar un editor de mensajes personalizados que se ejecute sobre una plataforma Windows. CONTENIDO Capítulo I: Generalidades sobre estroboscopia 1.1 Efecto estroboscópico…………………………………………………………. 01 1.2 Estroboscopio…………………………………………………………………...02 1.3 Persistencia de la visión………………………………………………………. 03 1.4 Aplicaciones del efecto estroboscópico y persistencia de la visión……… 03 1.4.1 Disco de colores………………………………………………………..03 1.4.2 Peonza deslumbrante………………………………………………… 04 1.4.3 Taumátropo……………………………………………………………..04 1.4.4 Zoótropo………………………………………………………………... 05 1.4.5 Imágenes a alta velocidad……………………………………………. 05 1.4.6 El estroboscopio en la industria……………………………………… 06 1.4.7 El estroboscopio en la industria cinematográfica............................07 Capítulo II: Modelamiento matemático del proyector de imágenes estroboscópicas 2.1 Idea básica del sistema a desarrollar...............……………………………. 08 2.2 Análisis matemático del sistema……………………………………….……. 09 2.2.1 Delimitación del modelo…………………………………………..…. 09 2.2.2 Análisis matemático de los parámetros geométricos de las celdas de caracteres.................................…………..…………….. 09 2.2.3 Análisis matemático de los parámetros de caracteres……….…... 12 2.2.4 Cálculo del período de rotación del motor..................……….…... 14 2.2.4 Modelo matemático del sistema integrado..................……….…... 15 Capítulo III: Diseño e implementación de hardware y software del proyector estroboscópico 3.1 Generalidades del diseño ……………………………………………………..16 3.2 Diseño del componente hardware…………………………….……...……...16 3.2.1 Diseño del subcomponente mecánico………………..……………..16 3.2.2 Diseño del subcomponente electrónico…….............……………....17 3.3 Diseño del subcomponente software………………………………………...18 3.4 Implementación del proyector estroboscópico……………………………...20 3.5 Fase de pruebas del proyector ...…………………………………………..... 21 Capítulo IV: Conclusiones y recomendaciones 4.1 Conclusiones…………………………………………………………………… 24 4.2 Recomendaciones…………………………………………….……………….. 24 BIBLIORAFÍA……………………………………………………………………….….. 26 ANEXOS………..……………………………………………………………………….. 27 LISTA DE FIGURAS Figura I.1 Objeto en distintos estados……………………………………………….. 01 Figura I.2 Estroboscopio comercial de mano………………………………………. 02 Figura I.3 Disco de colores…………………………………………………………….03 Figura I.4 Peonza en dos estados…………………………………………………… 04 Figura I.5 Estructura del taumátropo………………………………………………… 04 Figura I.6 Zoótropo…………………………………………………………………….. 05 Figura I.7 Fotografía de alta velocidad………………………………………………. 06 Figura I.8 Estroboscopio en funcionamiento……………………………………….. 06 Figura I.9 Dispositivos claves en cinematografía……..…………………………… 07 Figura II.1 Esquema del proyector de imágenes estroboscópicas............…........08 Figura II.2 Diagrama de bloques del proyector estroboscópico…………………. 09 Figura II.3 Esquema de los planos de giro y de visualización...............................10 Figura II.4 Geometría del proyector......…………………………………………….. 11 Figura II.5 Representación gráfica de la tabla II.1…………………………………. 12 Figura II.6 Caracter pixelado …………………………………………………………13 Figura II.7 Conceptualización de la magnitud tiempo……………………………...14 Figura III.1 Diagrama de bloques del componente hardware........................…....16 Figura III.2 Esquema del subcomponente mecánico........………………………...17 Figura III.3 Estructura de la etapa electrónica......................………….…………...17 Figura III.4 Algoritmo de gestión de escritura de mensajes en calidad estroboscópica….........................…………………………...…………..19 Figura III.5 Proyector como prototipo de prueba............…………..………............20 Figura III.6 Modelo definitivo del proyector.............................................................21 Figura III.7 Editor de mensajes personalizados......................................................22 Figura III.8 Proyector de imágenes estroboscópicas en funcionamiento..............23 LISTA DE TABLAS Tabla II.1 Evaluación numérica de la ecuación II.6………………………………… 12 Tabla III.1 Especificaciones nominales del motor YZF10-20-26....…...…….…… 17 Tabla III.2 Especificaciones del proyector.......................................……………… 23 CAPITULO I Generalidades sobre estroboscopia En este capítulo se describen las bases teóricas que explican la mecánica del funcionamiento de un proyector de imágenes estroboscópicas. El estudio conceptual incluye los diferentes términos y mecanismos empleados dentro de la estroboscopia, y, está dirigido en particular a objetos que se mueven con un movimiento de rotación. 1.1 Efecto estroboscópico Un sinnúmero de dispositivos que observamos a nuestro alrededor, y que facilitan la vida del ser humano, incluyen como parte fundamental, en sus respectivos sistemas, algunos elementos que hacen uso del efecto estroboscópico. La estroboscopia es un fenómeno de naturaleza óptica que sucede cuando se superponen dos sucesos periódicos en fase ó sólo ligeramente desfasados. El efecto estroboscópico se explica porque nuestra visión captura fragmentos de un movimiento completo y los retiene por una fracción de segundo por lo que, en condiciones especiales como cuando un flash lumínico incide sobre un cuerpo, el objeto puede ser observado ó bien moviéndose lentamente ó bien inmóvil. (a) (b) Figura I.1 Objeto en distintos estados: a) congelado b) lento movimiento Elaborado por el autor En la figura I.1 se explica el efecto estroboscópico. En la figura I.1 (a) se muestra como la sincronización entre una luz parpadeante y la frecuencia con que el cuerpo pasa por un determinado punto, ocasiona que el objeto luzca aparentemente inmóvil. En la figura I.1 (b) se ilustra como una frecuencia del destello de la luz, ligeramente distinta al valor de la frecuencia con que se mueve el objeto, muestra al cuerpo en lento movimiento. 1.2 Estroboscopio Para conseguir el efecto estroboscópico se utiliza un estroboscopio o simplemente strobe. El estroboscopio facilita el estudio de las fases del movimiento de un objeto, ya que permite apreciar el cuerpo como si estuviese detenido o moviéndose muy lentamente. Un estroboscopio está constituido por un emisor de luz. Como emisor de luz puede utilizarse, ya sea una lámpara de descarga gaseosa de xenón, muy parecida a las utilizadas en los flashes de las cámaras fotográficas, ó un conjunto de leds blancos de alto brillo. Adicionalmente un estroboscopio dispone de un sistema de regulación de frecuencia, con el cual se controla el tiempo de destello. En la figura I.2 se muestra un estroboscopio comercial de mano [1]. Figura I.2 Estroboscopio comercial de mano Fuente: http://www.pce-iberica.es/medidor-detalles-tecnicos/images/estroboscopio-led-pce-oml-25.jpg [Consulta: 02-08-2009] La luz empleada por el estroboscopio es conocida como luz estroboscópica. Si el intervalo de sucesión luminosidad-obscuridad es de valor igual o cercano al período de revolución del objeto en movimiento circular uniforme, entonces se crea la ilusión óptica de enlentecimiento. 1.3 Persistencia de la visión La persistencia de la visión o persistencia de las impresiones retinianas fue establecida por el físico Joseph Plateau, y, consiste en que la retina, es decir la porción del ojo humano que es sensible a la luz, retenga la imagen por un cierto período de tiempo. Un ejemplo común es cuando alguien toma una fotografía, e instantes después la persona fotografiada sigue viendo el punto blanco del flash [2]. El máximo tiempo de retención es cercano a una décima de segundo, lo que implica una tasa de actualización de alrededor de 10 cuadros por segundo. Si la imagen cambia a una tasa más lenta que esa, entonces el ser humano puede distinguir la alternancia entre la presentación de una imagen y la ausencia de ella. Cuando la luz es intensa el proceso es mayor. Por ello las salas de cine están a oscuras, ya que la retina se adapta a la oscuridad, y la luminosidad de la pantalla hace que la persistencia aumente. La medición de la persistencia de la visión ha proporcionado resultados que van desde 1/10 hasta 1/40 partes de segundo, dependiendo de las características del sistema visual de cada persona. La percepción de la alternabilidad en la presentación de imágenes secuenciales varía ampliamente en función de variadas condiciones como: la luminancia del área, el color del área, el ángulo de visión, y, sobre todo las características del ojo del observador [3]. 1.4 Aplicaciones del efecto estroboscópico y persistencia de la visión 1.4.1 Disco de colores El primer juguete estroboscópico, del que se tiene conocimiento, es el disco de colores, creado en 1666 por Isaac Newton, que permitió confirmar la teoría newtoniana de la naturaleza de la luz blanca. Figura I.3 Disco de colores Fuente: http://diselabia.files.wordpress.com/2008/06/ft_actividades_041.jpg [Consulta: 02-08-2009] 1.4.2 Peonza deslumbrante La peonza deslumbrante fue desarrollada por el francés Jean Antoine Nollet con fines de entretenimiento. El artilugio se compone de una varilla moldeada que representa la mitad de la silueta de un objeto alrededor de su eje de rotación. Al rotar la varilla se obtiene la representación volumétrica del objeto. (a) (b) Figura I.4 Peonza en dos estados: a) reposo b) movimiento Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Museo_de_Ciencias_de_Caracas [Consulta: 02-08-2009] 1.4.3 Taumátropo El taumátropo fue desarrollado por John Ayrton, en Paris, en 1824. Consiste en un disco con imágenes a ambos lados, y, un par de cuerdas en dos puntos diametralmente opuestos. Cuando el disco gira aparece un efecto de superposición de imágenes debido a la persistencia retiniana [4]. Figura I.5 Estructura del taumátropo Fuente: http://www.ilusionario.es/APLICACIONES/taumatropo.jpg [Consulta: 02-08-2009] 1.4.4 Zoótropo El zoótropo fue desarrollado en 1834 por el matemático inglés William Horner. El invento está basado en el mismo esquema del fenakistiscopio pero difiere en el uso de un contenedor con forma de tambor sin tapa. El contorno del tambor posee un conjunto de ranuras espaciadas a igual distancia, y, que permiten observar animaciones directamente en el interior del contenedor. La sucesión de las imágenes impresas en cintas de papel, y ligeramente diferentes entre sí, produce la ilusión del movimiento de las imágenes. Figura I.6 Zoótropo Fuente: http://cineojo.files.wordpress.com/2007/09/zootropo.jpg [Consulta: 02-08-2009] 1.4.5 Imágenes de alta velocidad Los principios del estroboscopio permiten la fotografía de cuerpos moviéndose a alta velocidad, como por ejemplo un colibrí en pleno vuelo ó una bala en movimiento. Para conseguir tales fotografías existen dos alternativas. Por un lado se puede elegir el empleo de un obturador que tenga una velocidad suficiente para congelar el objeto en movimiento. Por otro lado, existe la opción de utilizar un obturador normal en conjunto con una luz estroboscópica. Son conocidas las imágenes de balas perforando manzanas, rompiendo naipes, atravesando bombillos, etc, todas ellas obtenidas con estroboscopía. Figura I.7 Fotografía de alta velocidad Fuente: http://haciendofotos.com/wp-content/uploads/bullet-apple-s.jpg [Consulta: 02-08-2009] 1.4.6 El estroboscopio en la industria En la industria, el estroboscopio tiene múltiples usos. Se lo utiliza para observar las aspas de ventiladores en movimiento y comprobar a qué velocidad giran exactamente. Se lo emplea para el estudio de maquinaria en movimiento, ya que permite la medición de la rapidez de giro sin necesidad de realizar acoplamientos mecánicos o eléctricos entre el sistema de medición y el objeto a ser medido [5]. Figura I.8 Estroboscopio en funcionamiento http://www.pce-iberica.es/medidor-detalles-tecnicos/images/estroboscopio-led-pce-oml-25-uso.jpg [Consulta: 02-08-2009] 1.4.7 El estroboscopio en la industria cinematográfica El cine es resultado de la combinación de la persistencia de la visión y del movimiento rápido de una serie de fotogramas impresos sobre una cinta, pasados a través de un proyector [6]. El aparato con que se realiza la filmación de películas se conoce como cinematógrafo. El cinematógrafo registra fotogramas de una imagen con una tasa de captura de 24 fotogramas por segundo, lo que produce fotogramas apenas distintos entre si. Proyector se denomina al equipo que efectúa la proyección de la película. La proyección de los fotogramas se realiza con tal rapidez, que el ojo humano no puede detectar la sucesión de los mismos. (a) (b) Figura I.9 Dispositivos claves en cinematografía: a) Cinematógrafo b) Proyector Fuente: http://books.google.com.ec/books?id=YcPvV893aXgC&printsec=frontcover#PPA1005,M1 [Consulta: 02-08-2009] CAPITULO II Modelamiento matemático del proyector de imágenes estroboscópicas En este capítulo se describe matemáticamente los conceptos de estroboscopía que se aplican al diseño del sistema que se ha propuesto implementar. 2.1 Idea básica del sistema a desarrollar El sistema a desarrollar ha sido concebido como una adaptación del zoótropo. Consta de una plataforma giratoria que describe un movimiento circular uniforme, en el borde de la cual se coloca una barra de diodos led. Los leds permitirán visualizar caracteres en una sucesión y frecuencia determinadas, creando la sensación de mensajes escritos en letras mayúsculas pertenecientes al alfabeto latino. Un esquema del sistema propuesto se presenta en la figura II.1. Figura II.1 Esquema del proyector de imágenes estroboscópicas Elaborado por el autor De la revisión bibliográfica se ha podido identificar iniciativas similares entre hobbystas y personas aficionadas a la electrónica, y, al menos una iniciativa industrial liderada por la compañía argentina ilu, que los fabrica desde 2003 y ha tenido especial acogida en territorio gaucho [7]. Sin embargo es poca la información existente sobre la concepción matemática del funcionamiento del proyector, aspecto en el cual se ha centrado el presente trabajo. 2.2 Análisis matemático del sistema 2.2.1 Delimitación del modelo El objetivo central del proyecto de fin de carrera ha sido la matematización de los aspectos importantes de la visualización de la información en el bloque de leds de acuerdo a los principios de la estroboscopía, por lo tanto, para efectos de este trabajo, se ignorará la matematización de aspectos cinemáticos y dinámicos del proyector. En estas condiciones el sistema a modelar adquiere la estructura mostrada en la figura II.2. Mensaje escrito estroboscópico Mensaje escrito PROYECTOR X ESTROBOSCOPICO Y(X) Figura II.2 Diagrama de bloques del proyector estroboscópico Elaborado por el autor El análisis del sistema a modelar ha permitido identificar la entrada y salida del sistema: a) En una primera aproximación, la entrada del sistema es un mensaje escrito. Un tratamiento matemático más profundo lleva a concebir al mensaje como una sucesión de caracteres de una longitud determinada, lo que se considerará como entrada del sistema. b) La salida del sistema puede ser aproximada a un mensaje escrito proyectado como imagen estroboscópica. La reflexión matemática llevó a privilegiar el tiempo de intermitencia como salida del sistema. 2.2.2 Análisis matemático de los parámetros geométricos de las celdas de caracteres El despliegue de mensajes en el proyector se realiza en el plano vertical respecto a la trayectoria descrita por la plataforma giratoria. En la figura II.3 se presenta un esquema de los planos de giro y de visualización. Figura II.3 Esquema de los planos de giro y de visualización Elaborado por el autor Los espacios definidos como celdas en la figura II.3, serán ocupados por los caracteres que forman el mensaje. El cálculo del número requerido de caracteres para desplegar tal o cual mensaje debe considerar el caso más crítico. Suponiendo que el número requerido de caracteres a presentar es 16, por ejemplo electronica utpl, y que el mensaje utiliza todos los caracteres disponibles, cuando el proyector empiece a funcionar se desplegaría la siguiente secuencia: electronica utplelectronica utplelectronica utplelectronica utpl lo que imposibilitaría la adecuada interpretación del mensaje desplegado. Este problema se soluciona adicionando al número de caracteres requeridos una unidad, obteniendo el número de caracteres a desplegar Nc. Nc= Ncrequeridos + 1 (a) (II.1) (b) Figura II.4 Geometría del proyector a) Representación bidimensional b) Caracter Elaborado por el autor La figura II.4 muestra la relación existente entre la longitud de la circunferencia descrita por el arreglo de leds y el número de celdas que se pueden colocar en ella. Las ecuaciones II.2 - II.5 describen las relaciones posibles entre la longitud de la circunferencia descrita L, el ancho de los caracteres Ac, y, el número de caracteres a desplegar Nc. L=2 R (II.2) Ac * Nc = L Ac * Nc = 2 (II.3) R R = Ac*Nc /2 R: (II.4) (II.5) radio de la plataforma [cm] El análisis de las ecuaciones muestra la existencia de dos casos: la variación del radio de la plataforma manteniendo el ancho del caracter fijo, y, la variación del ancho del caracter manteniendo constante el radio de la plataforma. Para efectos de este trabajo se evaluará el segundo caso. Definiendo una longitud de circunferencia descrita de 36 cm, se probó definir el número de caracteres a desplegar como función ancho del caracter obteniendo los resultados que se muestran en la tabla II.1 y en la figura II.5. Nc = L / Ac; A≠0 (II.6) Tabla II.1 Evaluación numérica de la ecuación II.6 Nc (Y) Ac (X) 36 1 18 2 12 3 9 4 Figura II.5 Representación gráfica de la tabla II.1 Elaborado por el autor 2.2.3 Análisis matemático de los parámetros de los caracteres Por otra parte, es necesario considerar algunos conceptos propios de los caracteres como el pixelaje, las dimensiones, y, el tiempo de presentación. El pixelaje de los caracteres se relaciona con las dimensiones geométricas expresadas en píxeles de ancho por píxeles de alto. La figura II.6 ilustra algunas ideas importantes sobre la geometría de los caracteres. Se asume la utilización de píxeles cuadrados y se considera que el caracter está conformado por dos secciones, una llamada ancho útil y otra denominada ancho de guarda. El ancho útil sirve para construir los caracteres, mientras que el ancho de guarda evita la sobreposición de caracteres. Las relaciones matemáticas entre las magnitudes involucradas se presentan en las ecuaciones II.7 – II.10. Figura II.6 Caracter pixelado Elaborado por el autor Ac = Au + Ag (II.7) Au = Apx * Npxa (II.8) (II.9) Ag = Apx * Npxg Ac = Apx [Npxa + Npxg] (II.10) Ac: ancho de caracter [cm] Au: ancho útil [cm] Ag: ancho de guarda [cm] Npxa: número de píxeles de ancho [sin dimensión] Npxg: número de píxeles de guarda [cm] Apx: ancho del píxel [cm] En el marco del trabajo desarrollado, el efecto estroboscópico se logra a través de la intermitencia de los diodos led, por lo que es necesario relacionar la estructura pixelada de los caracteres con la magnitud tiempo, valiéndonos de los conceptos explicados en la figura II.7 y cuyo resultado se presenta en la ecuación II.11. Figura II.7 Conceptualización de la magnitud tiempo Elaborado por el autor Tc = Tpx [Npxa + Npxg] Tc: tiempo de caracter [s] Tpx: tiempo de píxel [s] (II.11) Npxa: número de píxeles de ancho [sin dimensión] Npxg: número de píxeles de guarda [sin dimensión] 2.2.4 Cálculo del período de rotación del motor El motor es otra parte importante del proyecto. Entre otros parámetros, que no han sido considerados en este trabajo, se analiza la forma de calcular el período de revolución de un motor tal como se describe en las ecuaciones II.13 – II.16 (II.13) (II.14) (II.15) (II.16) La ecuación II.16 permite obtener el tiempo de revolución del motor a partir del número de revoluciones del mismo. Se llega a una relación importante mezclando el concepto de tiempo de caracter con tiempo de presentación del caracter mediante la siguiente ecuación. (II.17) T: período Tc: tiempo de presentación del caracter Nc: número de caracteres 2.2.5 Modelo matemático del sistema integrado Una vez que se ha realizado el análisis de los hechos relevantes que se llevan a cabo para el funcionamiento del proyector, es necesario condensar el trabajo en ecuaciones que representen el funcionamiento del sistema en su conjunto. Se destacan la importancia de la ecuación II.1, la relación existente entre las ecuaciones II.5 y II.10 y, la relación entre las expresiones II.11 y II.17.De este análisis se puntualiza las ecuaciones II.18 – II.20, que son las ecuaciones consideradas base para el diseño del proyector estroboscópico, y que pueden consolidarse en la expresión II.21, que integra elementos espaciales y temporales del diseño. (II.18) (II.19) (II.20) (II.21) CAPITULO III Diseño e implementación de hardware y software del proyector estroboscópico En este capítulo se aborda los aspectos principales de la construcción del componente hardware y del componente software del prototipo de proyector estroboscópico diseñado. 3.1 Generalidades del diseño El componente hardware está dividido en dos subcomponentes. Por un lado se encuentra la parte mecánica conformada por el motor y la plataforma de giro. Por otro lado aparece el sistema electrónico encargado de gestionar el encendido y apagado del arreglo de leds. Considerando que el corazón del sistema electrónico es un microcontrolador, entonces surge la necesidad de contar con un software, cuyas rutinas correspondan al modelo matemático desarrollado en el capítulo anterior. 3.2 Diseño del componente hardware El diagrama de bloques del componente hardware del prototipo se muestra en la figura III.1 Subcomponente mecánico Subcomponente Electrónico Componente hardware Figura III.1 Diagrama de bloques del componente hardware Elaborado por el autor 3.2.1 Diseño del subcomponente mecánico El diseño mecánico se centra en acoplar una plataforma giratoria al eje de un motor eléctrico. Un punto crítico es la selección del motor bajo las premisas de garantizar la potencia requerida y una velocidad angular constante. Como potencia requerida se ha identificado la combinación de potencia para el movimiento de rotación de la plataforma, y, potencia para compensar los fenómenos dinámicos de la plataforma en movimiento. Las pruebas efectuadas sugirieron como la mejor opción la utilización de un motor de corriente alterna. La tabla III.1 muestra las especificaciones nominales del motor. Tabla III.1 Especificaciones nominales del motor YZF10-20-26 Modelo Voltaje Frec. Corriente Pot. entrada Pot. salida Peso YZF10-20-26 115 VAC 60Hz 0,7 A 55 W 10W 1,1 Kg La estructura de la plataforma giratoria se construyó de plástico, a manera de una barra en cuyo centro se acopla el rotor del motor. En los extremos se colocan el componente electrónico y la fuente de alimentación con la intención de lograr equilibrio. Un esquema de la estructura se muestra en la figura III. 2. Figura III.2 Esquema del subcomponente mecánico Elaborado por el autor 3.2.2 Diseño del subcomponente electrónico El subcomponente electrónico está conformado por bloques especializados cuya estructura se muestra en la figura III.3. Regulación de voltaje Procesamiento + Almacenamiento + Figura III.3 Estructura de la etapa electrónica Elaborado por el autor Despliegue La alimentación de energía eléctrica para el sistema electrónico proviene de una batería estándar de 9 voltios. La energía ingresa al sistema a través de una etapa de regulación de voltaje, construida en base a un regulador de voltaje positivo a 5 V y 1 A, modelo L7805CV, en cuya salida se colocó un capacitor a fin de contrarrestar posibles oscilaciones. Ver anexos A y B. Cabe indicar que la alimentación del motor AC se realiza a través de una conexión directa a la red doméstica de abastecimiento de energía eléctrica. En el bloque de procesamiento, un microcontrolador PIC16F628A, cumple con la gestión del encendido y apagado de los leds del arreglo, de acuerdo a las instrucciones elaboradas para cumplir con las condiciones de la estroboscopía. El proceso de programación del microcontrolador se basa en la metodología in circuit serial programing, que permite la descarga de información en el microcontrolador cuando éste ya se encuentre en la tarjeta electrónica definitiva. Esta característica permite el testeo del sistema sin que sea necesario extraer el microcontrolador programarlo y volverlo a colocar en el sistema finalizado. La etapa de almacenamiento tiene como elemento principal una memoria modelo 24C16A, que permite ser borrada y escrita eléctricamente mediante un protocolo I2C. Para efectuar la programación de la memoria se emplea el software de distribución gratuita Pony prog. En la etapa de despliegue, un conjunto de leds azules de alto brillo, que se encuentran anclados mediante resistores a uno de los puertos del microcontrolador, son activados o desactivados de acuerdo al requerimiento. El potencial de salida del microprocesador es suficiente para activar los leds por lo que no se requiere de una etapa de amplificación previa. Los leds azules fueron seleccionados por cuanto su luminosidad es 10 veces mayor a los leds normales, lo que se convierte en una ventaja para visualizar los mensajes ambientes iluminados. 3.3 Diseño del subcomponente software El diseño del subcomponente software resuelve dos tareas específicas, por un lado se desarrolla un programa para la edición de mensajes y su posterior grabado en la unidad de memoria, y, por otro lado se requiere desarrollar un programa que gestione la escritura de mensajes en calidad de imágenes estroboscópicas. El programa de edición de mensajes tiene una estructura sencilla. Recibe el mensaje que se desea desplegar, aplica filtros que controlan el tipo de letra y/o la extensión del mensaje, y, finalmente guarda un archivo con la extensión e2p. El lenguaje de programación seleccionado para la implementación de este programa fue visual basic en su versión 6.0, ver anexo C. Para el diseño del programa de gestión de la escritura de mensajes, en calidad estroboscópica, se utilizó un compilador a efecto de reducir el tiempo de programación. El software utilizado es Pic Basic Pro, versión 2.4, ver anexo D. Inicio Configuración de puertos Declaración e inicialización de variables Lectura de memoria en la posición Contador Comparación entre el dato leído y una tabla fija For Contador Carga de secuencias en registros de 1 a Nc Encendido de leds según secuencias durante tpx Contador = 1 Figura III.4 Algoritmo de gestión de escritura de mensajes en calidad estroboscópica Elaborado por el autor La figura III.4 presenta el algoritmo de gestión de la escritura de mensajes en calidad estroboscópica. Al energizar la circuitería se inicia el algoritmo, el microcontrolador procede a buscar en la memoria el mensaje a desplegar, y, finalmente lo traspasa al pórtico de salida con lo cual se consigue encender los diodos led. Es necesario aclarar que para la programación de la unidad de memoria externa, se hace uso del programa de libre distribución Pony prog. 3.4 Implementación del proyector estroboscópico La construcción del proyector de imágenes estroboscópicas ha tenido dos fases. En la primera se construyó un modelo de prueba que permitió resolver los problemas del diseño mecánico. La figura III.5 muestra las secciones de las cuales se compone el modelo de prueba del proyector. Figura III.5 Proyector como prototipo de prueba Elaborado por el autor En la segunda fase se construyó un modelo que corregía las deficiencias que fueron detectadas en el modelo de prueba. La figura III.6 muestra como luce el proyector en esta etapa. Figura III.6 Modelo definitivo del proyector Elaborado por el autor 3.5 Fase de pruebas del proyector Para la fase de pruebas se consideró el sistema como si estuviese conformado de cuatro componentes evaluables: la plataforma móvil, el programa a para edición de mensajes, el programa para la visualización estroboscópica de mensajes, y, el bloque de visualización. Para efectos de este trabajo se considera que el bloque de procesamiento (microcontrolador) funciona correctamente. El funcionamiento de la plataforma móvil fue evaluado por observación directa bajo el criterio de la ausencia de vibraciones durante el proceso de rotación. El funcionamiento del programa de edición de mensajes se probó generando una serie de mensajes, cuyos archivos e2p fueron comprobados para verificar el cumplimiento de los requerimientos impuestos, el anexo E muestra los pasos para el uso del software. La figura III.7 muestra la ventana principal del programa evaluado. Figura III.7 Editor de mensajes personalizados Fuente: el autor En una tercera etapa, se validó el programa de visualización estroboscópica y el sistema de visualización a través de la verificación del adecuado funcionamiento del proyector estroboscópico de acuerdo a los mensajes previamente preparados. Como resultado de las pruebas realizadas se definió que el proyector despliega un máximo de 18 caracteres con una resolución de 5x7 píxeles por caracter. La plataforma giratoria tiene un radio de 12,5 cm, y se activa por un motor de un voltaje nominal de 115 VAC y una frecuencia de 60Hz. La velocidad del motor de 1500rpm, por efecto de la masa giratoria se reduce a 780rpm. Las oscilaciones en la velocidad de rotación del motor no afectan la visualización del mensaje, habiendo realizado pruebas de rotación en la dirección de las manecillas del reloj y en sentido contrario. La figura III.8 muestra una imagen del proyector en funcionamiento y la tabla III.2 presenta un resumen de las especificaciones del proyector, el anexo F presenta un presupuesto detallado de la inversión en la construcción del proyector. Figura III.8 Proyector de imágenes estroboscópicas en funcionamiento Elaborado por el autor Tabla III.2 Especificaciones del proyector Ítem Magnitud Valor Unidad Funcionales 1 Número máximo de caracteres a desplegar 18 Unidades 2 Pixelado de caracteres 5x7 Pixeles -3 Tipo de caracteres A-Z de ASCII Operativas 4 Velocidad de rotación del visualizador 13 rps 5 Alimentación del motor 110, 60 V, Hz 6 Alimentación del circuito electrónico 9 V Mecánicas 7 Dimensiones [largo, ancho, alto] 30, 30, 15 cm 8 Peso 2,2 Kg CAPITULO IV Conclusiones y recomendaciones 4.1 Conclusiones El diseño del sistema mecánico, en el marco de este proyecto, se ha basado en la metodología de prueba y error, obteniendo resultados satisfactorios. De entre las opciones para alimentar de energía al proyector, el uso de una batería de 9 voltios resulta óptimo tal como lo comprueban los resultados obtenidos. El proyector de imágenes estroboscópicas diseñado he implementado presenta mensajes de hasta 18 caracteres, con una resolución de 5x7 píxeles por caracter. Los algoritmos diseñados para la implementación del programa de edición de mensajes y del programa de visualización estroboscópica de los mensajes son correctos tal como lo confirman las pruebas efectuadas. Los resultados obtenidos en las pruebas confirman que el modelo matemático desarrollado para describir el funcionamiento del proyector de imágenes estroboscópicas es válido. El funcionamiento del proyector de imágenes estroboscópicas es satisfactorio y cumple con todos los requisitos prefijados: uso de tecnología led monocromática, sistemas microprocesados y conceptos de estroboscopia. 4.2 Recomendaciones El modelo desarrollado es un punto de partida hacia dispositivos más complejos tanto desde el punto de vista electrónico como mecánico. La utilización de microcontroladores de mejores prestaciones, posibilitaría reemplazar las unidades led monocromáticas azules por unidades led RGB, mejorando las facilidades de gestión de color del proyector. El sistema de alimentación del proyector también debe ser mejorado buscando unificar la fuente de alimentación del motor y de la circuitería necesaria para el despliegue de las imágenes estroboscópicas, mejorando los indicadores de peso en la plataforma. Se sugiere plantear un mejoramiento de la estructura mecánica del proyector, ampliando el radio de la plataforma con el fin de extender el área útil para mensajes. De igual forma se sugiere la optimización del diseño electrónico a fin de reducir el tamaño de los pcb y contribuir a la reducción del peso de la plataforma de giro. Una mejora importante en el proyector consistiría en introducir algoritmos específicos para el procesamiento de imágenes, que permitan visualizar no sólo caracteres sino gráficos. También podría hacerse una actualización del pórtico serial por un pórtico USB. BIBLIOGRAFÍA [1] Estroboscopio [en línea]. <http://es.wikipedia.org/wiki/Estroboscopio>. [Consulta de 15 de mayo de 2009] [2] Paul Wheeler, Practical cinematography, Focal Press, 2005. [3] Saxby Graham, The science of imaging: an introduction, CRC Press, 2002. [4] Marshall Cavendish Corporation, Inventors and Inventions, Marshall Cavendish, 2008. [5] Efecto estroboscópico [en línea]. <http://www.librosmaravillosos.com/ comofunciona/comofunciona08.html>. [Consulta de 18 de mayo de 2009] [6] Efecto estroboscópico [en línea]. <http://e-ciencia.com/recursos/ enciclopedia/Efecto_estrobosc%C3%B3pico>. [Consulta de 18 de mayo de 2009]. [7] Empresa [en línea]. <http://www.iluingenieria.com.ar>. [Consulta de 20 de mayo de 2009]. ANEXO A Circuitos del sistema ANEXO B PCB’s del sistema ANEXO C Código fuente del programa de edición de mensajes elaborado en visual basic „*********************************FORM 1******************************* Private Sub Acerca__Click() Form2.Show End Sub ____________________________________________________ Private Sub Cerrar__Click() End End Sub Private Sub Convertir_Click() Dim Texto As String, Letra As String Texto = Text2.Text For i = 1 To 18 Letra = Mid$(Texto, i, 1) Select Case Letra Case "A" Text1.Text = Text1.Text & "a" Case "B" Text1.Text = Text1.Text & "b" Case "C" Text1.Text = Text1.Text & "c" Case "D" Text1.Text = Text1.Text & "d" Case "E" Text1.Text = Text1.Text & "e" Case "F" Text1.Text = Text1.Text & "f" Case "G" Text1.Text = Text1.Text & "g" Case "H" Text1.Text = Text1.Text & "h" Case "I" Text1.Text = Text1.Text & "i" Case "J" Text1.Text = Text1.Text & "j" Case "K" Text1.Text = Text1.Text & "k" Case "L" Text1.Text = Text1.Text & "l" Case "M" Text1.Text = Text1.Text & "m" Case "N" Text1.Text = Text1.Text & "n" Case "O" Text1.Text = Text1.Text & "o" Case "P" Text1.Text = Text1.Text & "p" Case "Q" Text1.Text = Text1.Text & "q" Case "R" Text1.Text = Text1.Text & "r" Case "S" Text1.Text = Text1.Text & "s" Case "T" Text1.Text = Text1.Text & "t" Case "U" Text1.Text = Text1.Text & "u" Case "V" Text1.Text = Text1.Text & "v" Case "W" Text1.Text = Text1.Text & "w" Case "X" Text1.Text = Text1.Text & "x" Case "Y" Text1.Text = Text1.Text & "y" Case "Z" Text1.Text = Text1.Text & "z" Case "a" Text1.Text = Text1.Text & "a" Case "b" Text1.Text = Text1.Text & "b" Case "c" Text1.Text = Text1.Text & "c" Case "d" Text1.Text = Text1.Text & "d" Case "e" Text1.Text = Text1.Text & "e" Case "f" Text1.Text = Text1.Text & "f" Case "g" Text1.Text = Text1.Text & "g" Case "h" Text1.Text = Text1.Text & "h" Case "i" Text1.Text = Text1.Text & "i" Case "j" Text1.Text = Text1.Text & "j" Case "k" Text1.Text = Text1.Text & "k" Case "l" Text1.Text = Text1.Text & "l" Case "m" Text1.Text = Text1.Text & "m" Case "n" Text1.Text = Text1.Text & "n" Case "o" Text1.Text = Text1.Text & "o" Case "p" Text1.Text = Text1.Text & "p" Case "q" Text1.Text = Text1.Text & "q" Case "r" Text1.Text = Text1.Text & "r" Case "s" Text1.Text = Text1.Text & "s" Case "t" Text1.Text = Text1.Text & "t" Case "u" Text1.Text = Text1.Text & "u" Case "v" Text1.Text = Text1.Text & "v" Case "w" Text1.Text = Text1.Text & "w" Case "x" Text1.Text = Text1.Text & "x" Case "y" Text1.Text = Text1.Text & "y" Case "z" Text1.Text = Text1.Text & "z" Case Else Text1.Text = Text1.Text & " " End Select Next i End Sub Private Sub Guardar_Click() SaveFile End Sub „*********************************FORM 2******************************* Option Explicit Private Sub cmdOK_Click() Unload Me End Sub Private Sub Form_Load() Me.Caption = "About POV Editor" lblVersion.Caption = "Version " & App.Major & "." & App.Minor & "." & App.Revision lblTitle.Caption = "POV Editor " End Sub „*********************************MODULO 1******************************* Public Sub OpenFile() Dim ContentFile As String On Error GoTo A Form1.CommonDialog1.ShowOpen Open Form1.CommonDialog1.FileName For Input As #1 Do Until EOF(1) Input #1, ContentFile Form1.Text1.Text = Form1.Text1.Text + ContentFile + vbCrLf Loop Close #1 A: End Sub Public Sub SaveFile() On Error Resume Next Form1.CommonDialog1.Filter = "Text Files (*e2p)|*.e2p" Form1.CommonDialog1.ShowSave Open Form1.CommonDialog1.FileName For Output As #1 Print #1, Form1.Text1.Text Close #1 End Sub ANEXO D Código fuente del programa para la visualización estroboscópica de mensajes elaborado en Pic Basic Pro DEFINE I2C_SCLOUT 1 cmcon=7 trisb=0 contro con %10100000 PinSCL VAR Porta.7 PinSDA VAR Porta.6 dato var byte leds var portb cont1 var word reg1 var byte reg2 var byte reg3 var byte reg4 var byte reg5 var byte retraso var word kao var byte retraso = 15000 cont1= 450 Inicio: for kao=0 to 17 i2cread Pinsda,pinscl,contro,kao,[dato] SELECT CASE dato CASE 97 reg1=%01111110 reg2=%00001001 reg3=%00001001 reg4=%00001001 reg5=%01111110 ;A CASE 98 reg1=%01111111 reg2=%01001001 reg3=%01001001 ;B reg4=%01001001 reg5=%00110110 CASE 99 reg1=%00111110 reg2=%01000001 reg3=%01000001 ;C reg4=%01000001 reg5=%00100010 CASE 100 reg1=%01111111 reg2=%01000001 reg3=%01000001 ;D reg4=%01000001 reg5=%00111110 CASE 101 reg1=%00111110 reg2=%01001001 reg3=%01001001 ;E reg4=%01001001 reg5=%01001001 CASE 102 reg1=%01111110 reg2=%00001001 reg3=%00001001 reg4=%00001001 reg5=%00001001 ;F CASE 103 reg1=%00111110 reg2=%01000001 reg3=%01001001 ;G reg4=%01001001 reg5=%00110001 CASE 104 reg1=%01111111 reg2=%00001000 reg3=%00001000 ;H reg4=%00001000 reg5=%01111111 CASE 105 reg1=%01000001 reg2=%01000001 reg3=%01111111 ;I reg4=%01000001 reg5=%01000001 CASE 106 reg1=%01000001 reg2=%01000001 reg3=%00111111 ;J reg4=%00000001 reg5=%00000001 CASE 107 reg1=%01111111 reg2=%00001000 reg3=%00010100 reg4=%00100010 reg5=%01000001 ;K CASE 108 reg1=%00111111 reg2=%01000000 reg3=%01000000 ;L reg4=%01000000 reg5=%01000000 CASE 109 reg1=%01111111 reg2=%00000010 reg3=%00001100 ;M reg4=%00000010 reg5=%01111111 CASE 110 reg1=%01111111 reg2=%00000100 reg3=%00001000 ;N reg4=%00010000 reg5=%01111111 CASE 111 reg1=%00111110 reg2=%01000001 reg3=%01000001 ;0 reg4=%01000001 reg5=%00111110 CASE 112 reg1=%01111111 reg2=%00001001 reg3=%00001001 reg4=%00001001 reg5=%00000110 ;P CASE 113 reg1=%00111110 reg2=%01000001 reg3=%01010001 ;Q reg4=%01100001 reg5=%00111110 CASE 114 reg1=%01111111 reg2=%00010001 reg3=%00010001 ;R reg4=%00110001 reg5=%01001110 CASE 115 reg1=%01000110 reg2=%01001001 reg3=%01001001 ;S reg4=%01001001 reg5=%00110001 CASE 116 reg1=%00000001 reg2=%00000001 reg3=%01111111 ;T reg4=%00000001 reg5=%00000001 CASE 117 reg1=%00111111 reg2=%01000000 reg3=%01000000 reg4=%01000000 reg5=%00111111 ;U CASE 118 reg1=%00011111 reg2=%00100000 reg3=%01000000 ;V reg4=%00100000 reg5=%00011111 CASE 119 reg1=%00111111 reg2=%01000000 reg3=%01111111 ;W reg4=%01000000 reg5=%00111111 CASE 120 reg1=%01100011 reg2=%00010100 reg3=%00001000 ;X reg4=%00010100 reg5=%01100011 CASE 121 reg1=%00000011 reg2=%00000100 reg3=%01111000 ;Y reg4=%00000100 reg5=%00000011 CASE 122 reg1=%01100001 reg2=%01010001 reg3=%01001001 reg4=%01000101 reg5=%01000011 ;Z CASE 32 reg1=%00000000 reg2=%00000000 reg3=%00000000 reg4=%00000000 reg5=%00000000 END SELECT leds=reg1 pauseus cont1 leds=reg2 pauseus cont1 leds=reg3 pauseus cont1 leds=reg4 pauseus cont1 leds=reg5 pauseus cont1 leds=%00000000 pauseus cont1 Next kao=0 pauseus retraso goto inicio END ;Espacio ANEXO E Manejo del software de edición de mensajes Para editar mensajes personalizados: a) Se abre el software POV editor. b) Se escribe el mensaje deseado. c) Se clickea en el botón convertir, y, aparece el mensaje filtrado. d) Se guarda el archivo generado en algún lugar del disco. La extensión del archivo a guardar es e2p. e) Se abre el programa pony prog, y se busca el archivo generado para ello se deb ir a File > Open. f) Se selecciona el archivo para cargarlo en la memoria eeprom. g) Se sigue la ruta Device > Write para escribir la memoria. h) Finalmente se acepta la escritura haciendo click en Yes. ANEXO F Presupuesto para la construcción del proyector Materiales LEDs azules de alto brillo Memoria 24LC04B Microcontrolador PIC16F628A Conversor USB-Serial Motor de corriente alterna Regulador de voltaje 7805 Batería Alcalina 9v PCB Resistores 100 ohm Capacitor 0,47uF Estructura mecánica Estaño, soldador y otros Total EQUIPOS Computador y servicio de internet Impresiones Fotocopias Total SOFTWARE Licencia Proteus 7.2 SP6 Visual Basic V6.0 Windows XP Profesional Total RECURSO HUMANO Hora de trabajo-hombre PRESUPUESTO TOTAL DEL PROYECTO Unidad 7 1 1 1 1 2 1 4 7 1 1 -- Costo 0,25 0,50 2,70 15 18 0.5 3 2,50 0,03 0,1 10 10 Total 1,75 0,50 2,70 15 18 1 3 10 0,21 0,1 10 10 72,26 50 horas --- 0.8 100 5 40 100 5 145 1 1 1 300 250 200 300 250 200 750 150 3,50 525 1492,26