actualització de l’enllumenat temàtic d’una atracció...
TRANSCRIPT
Actualització de l’enllumenat temàtic d’una atracció Roller Coaster
TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial en Electrònica Industrial
AUTOR: Agustí Salvadó Baza.
DIRECTOR: Roberto Giral Castillón.
DATA: Setembre de 2015.
2
Agraiments
Als meus petitons Joan i Heura, per totes les estones que no hi he estat.
A la Nadia, la meva bonica, per estar-hi sempre.
Al meu pare, que ja no hi es, i a m’ha mare que si.
Al Roberto Giral, per tot el suport i ajuda.
A PortAventura , i els seus responsables de manteniment, per confiar en mi.
A tots els familiars i amics i companys que sempre m`ha donat ànims.
3
Actualització de l’Enllumenat Temàtic d’una Atracció Roller Coaster
1 ÍNDEX
TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial en Electrònica Industrial
AUTOR: Agustí Salvadó Baza.
DIRECTOR: Roberto Giral Castillón.
DATA: Setembre / 2015.
5
2 Memòria descriptiva
2.0 Índex de la memoria descriptiva ......................................................................... 5
2.1 Índex de Figures de la memòria descriptiva. ............................................... 6
2.2 Introducció. .................................................................................................. 7
2.3 Descripció de l’atracció. .............................................................................. 8
2.3.1 Antecedents. ............................................................................................. 9
2.3.2 Punts a millorables del sistema actual. ................................................ 10
2.4 Objectiu del projecte. ................................................................................. 10
2.4.1 Especificacions que ha de complir el nou sistema. ................................ 11
2.4.2 Abast del projecte. .................................................................................. 11
2.5 Proposta per al nou sistema........................................................................ 12
2.5.1 Diagrama de flux del funcionament . ..................................................... 12
2.6 Elements pel nou sistema. .......................................................................... 13
2.6.1 LED. ....................................................................................................... 13
2.6.2 Convertidor DC/DC .............................................................................. 18
2.6.3 Bateria. ................................................................................................... 20
2.6.4 Controlador. ........................................................................................... 20
2.6.5 El món del Open HW ( Hardware Obert ). ............................................ 20
2.6.6 Quin Arduino triem? .............................................................................. 23
2.6.7 Interruptor principal. .............................................................................. 24
2.6.8 MOSFET. ............................................................................................... 26
2.6.9 Monitor de tensió de la bateria. ............................................................. 29
2.6.10 Detecció de la llum ambient. ................................................................ 30
2.6.11 Detecció del moviment del tren. ........................................................... 32
2.7 Firmware. ................................................................................................... 35
2.7.1 Diagrama de flux. ................................................................................... 36
2.7.2 Codi ........................................................................................................ 37
6
2.1 Índex de Figures de la memòria descriptiva.
Figura 2. 1 Vista panoràmica del Dragon Khan ...................................................................... 8 Figura 2. 2 Detall de la Fibra Óptica antiga. ........................................................................... 9 Figura 2. 3 Esquema del antic sistema d’enllumenat. ............................................................. 9 Figura 2. 5 Diagrama de flux simplificat. ............................................................................. 12 Figura 2. 4 Esquema general del nou sistema. ...................................................................... 12 Figura 2. 6 LED en encapsulat SOD63. ................................................................................ 13 Figura 2. 7 LED rgb discret càtode comú i esquema intern .................................................. 14 Figura 2. 8 Esquema de connexió del xip controlador de LED RGB WS2811 .................... 14 Figura 2. 9 Fotografia en detall de dos models de LED RGB amb el controlador integrat. . 15 Figura 2. 10 Taula de temporització de línea de dades del WS2812B. ................................. 16 Figura 2. 11 LED strip 30 LED x m IP64. ............................................................................ 17 Figura 2. 12 Detall de la Strip LED ja muntada en un lateral del vagó. ................................ 17 Figura 2. 13 Convertidor commutat simplificat. .................................................................... 18 Figura 2. 14 Comparacio 7805 i el OKI-78SR series. ........................................................... 19 Figura 2. 15 Logotip d’Arduino. ............................................................................................ 21 Figura 2. 16 Arduino Single-Sided Serial version 3 ............................................................. 21 Figura 2. 17 Arduino Uno and technical specifications. ...................................................... 22 Figura 2. 18 Aplicació que utilitza dos Shield. ...................................................................... 22 Figura 2. 19 Arduino Motor Shield. ...................................................................................... 23 Figura 2. 20 Arduino Mega 2560 ........................................................................................... 23 Figura 2. 21 Prototype Shield ................................................................................................ 24 Figura 2. 22 Canvi del contactor Electromecànic per un element d’Estat Sòlid .................... 25 Figura 2. 23 High Side i Low Side Switch. ........................................................................... 26 Figura 2. 24 MOSFET canal N com a High Side Switch. ..................................................... 27 Figura 2. 25 MOSFET canal P com a High Side Switch ....................................................... 27 Figura 2. 26 Detall del muntatge dels dos MOSFETS en les proves ..................................... 28 Figura 2. 27 Esquema proposat monitor tensió de bateria .................................................... 29 Figura 2. 28 Fotodíodes en diferents encapsulats comercials ................................................ 30 Figura 2. 29 Sensor de llum ambient TEMT6000 de Vishay muntat en placa “Breakout” ... 30 Figura 2. 30 Fotoresistències LDR en diferents mides .......................................................... 31 Figura 2. 31 Esquema proposat monitor de llum ambient. ................................................... 31 Figura 2. 32 Interruptor de mercuri. ....................................................................................... 32 Figura 2. 33 Imatge amb microscopi electrònic d’un acceleròmetre MEMS. ....................... 33 Figura 2. 34 Model simplificat i circuit equivalent d’un acceleròmetre MEMS. ................ 33 Figura 2. 35 Fully Differential Metal MEMS Accelerometer ................................................ 34 Figura 2. 36 Mesura de l’acceleració estàtica. ....................................................................... 34 Figura 2. 37 Diagrama de flux detallat del firmware ............................................................ 36
46
3.0Índexdelamemoriadecàlcul.3 MEMÒRIA DE CÀLCUL. ............................................................................... 47
3.1 Intensitat màxima en el cablejat. ................................................................ 47
3.1.1 Intensitat total a 5 V. .............................................................................. 47
3.1.2 Intensitat total a 12 V. ............................................................................ 47
3.2 Seccions del cablejat. ................................................................................. 47
3.2.1 Càlcul de la secció mínima per a 5 V. ................................................... 47
3.2.2 Càlcul de la secció mínima per a 12 V. ................................................. 49
3.2.3 Càlcul de la secció mínima de les ramificacions a 12 V. ...................... 49
3.3 Interruptor. ................................................................................................. 50
3.3.1 MOSFET Q1 .......................................................................................... 50
3.3.2 Càlcul del dissipador per al MOSFET Q1. ........................................... 51
3.3.3 MOSFET Q2 .......................................................................................... 51
3.3.4 Circuit Driver MOSFET. ....................................................................... 52
3.4 Senyals Analògiques. ................................................................................. 52
3.4.1 Conversió AD ......................................................................................... 52
3.4.2 Detecció de la llum ambient. .................................................................. 53
3.5 Autonomia de la bateria. ............................................................................ 54
56
4 PLÀNOLS
4.0 INDEX DE PLÀNOLS
4.1 Plànol MCC0 Arduino MEGA2560
4.2 Plànol Destribució Potència
4.3 Plànol Adresses Pixels
60
6.0Índexdelpressupost.6 PRESSUPOST. ................................................................................................. 61
6.1 Amidaments. .............................................................................................. 61
6.1.1 Capítol 1. Prototip. ................................................................................ 61
6.2 Preu unitari. ................................................................................................ 62
6.2.1 Capítol 1. Prototip. ................................................................................. 62
6.3 Aplicació de preus...................................................................................... 63
6.3.1 Capítol 1. Prototip. ................................................................................. 63
6.4 Resum pressupost. ..................................................................................... 64
6.4.1 Pressupost d’execució material. ............................................................. 64
6.4.2 Pressupost d’execució per contracte. ..................................................... 64
6.4.3 Pressupost global. ................................................................................... 64
4
Actualització de l’Enllumenat Temàtic d’una Atracció Roller Coaster
2 MEMÒRIA DESCRIPTIVA
TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial en Electrònica Industrial
AUTOR: Agustí Salvadó Baza.
DIRECTOR: Roberto Giral Castillón.
DATA: Setembre / 2015.
5
2 Memòria descriptiva
2.0 Índex de la memoria descriptiva .......................................................................5
2.1 Índex de Figures de la memòria descriptiva. ..............................................6
2.2 Introducció. ...............................................................................................7
2.3 Descripció de l’atracció. ............................................................................8
2.3.1 Antecedents. ..........................................................................................9
2.3.2 Punts a millorables del sistema actual. .............................................. 10
2.4 Objectiu del projecte. .............................................................................. 10
2.4.1 Especificacions que ha de complir el nou sistema. ............................... 11
2.4.2 Abast del projecte. ............................................................................... 11
2.5 Proposta per al nou sistema. .................................................................... 12
2.5.1 Diagrama de flux del funcionament . ................................................... 12
2.6 Elements pel nou sistema. ....................................................................... 13
2.6.1 LED. .................................................................................................... 13
2.6.2 Convertidor DC/DC ............................................................................ 18
2.6.3 Bateria. ................................................................................................ 20
2.6.4 Controlador.......................................................................................... 20
2.6.5 El món del Open HW ( Hardware Obert ). ........................................... 20
2.6.6 Quin Arduino triem? ............................................................................ 23
2.6.7 Interruptor principal. ............................................................................ 24
2.6.8 MOSFET. ............................................................................................ 26
2.6.9 Monitor de tensió de la bateria. ........................................................... 29
2.6.10 Detecció de la llum ambient. .............................................................. 30
2.6.11 Detecció del moviment del tren. ......................................................... 32
2.7 Firmware. ................................................................................................ 35
2.7.1 Diagrama de flux. ................................................................................ 36
2.7.2 Codi ..................................................................................................... 37
6
2.1 Índex de Figures de la memòria descriptiva.
Figura 2. 1 Vista panoràmica del Dragon Khan....................................................................8 Figura 2. 2 Detall de la Fibra Óptica antiga. .........................................................................9 Figura 2. 3 Esquema del antic sistema d’enllumenat. ...........................................................9 Figura 2. 5 Diagrama de flux simplificat. ........................................................................... 12 Figura 2. 4 Esquema general del nou sistema. .................................................................... 12 Figura 2. 6 LED en encapsulat SOD63. ............................................................................. 13 Figura 2. 7 LED rgb discret càtode comú i esquema intern ................................................ 14 Figura 2. 8 Esquema de connexió del xip controlador de LED RGB WS2811 .................... 14 Figura 2. 9 Fotografia en detall de dos models de LED RGB amb el controlador integrat. .. 15 Figura 2. 10 Taula de temporització de línea de dades del WS2812B. ................................. 16 Figura 2. 11 LED strip 30 LED x m IP64........................................................................... 17 Figura 2. 12 Detall de la Strip LED ja muntada en un lateral del vagó. ................................ 17 Figura 2. 13 Convertidor commutat simplificat. .................................................................. 18 Figura 2. 14 Comparacio 7805 i el OKI-78SR series. .......................................................... 19 Figura 2. 15 Logotip d’Arduino. ......................................................................................... 21 Figura 2. 16 Arduino Single-Sided Serial version 3 ........................................................... 21 Figura 2. 17 Arduino Uno and technical specifications. .................................................... 22 Figura 2. 18 Aplicació que utilitza dos Shield. .................................................................... 22 Figura 2. 19 Arduino Motor Shield. ................................................................................... 23 Figura 2. 20 Arduino Mega 2560 ........................................................................................ 23 Figura 2. 21 Prototype Shield ............................................................................................. 24 Figura 2. 22 Canvi del contactor Electromecànic per un element d’Estat Sòlid .................... 25 Figura 2. 23 High Side i Low Side Switch. ......................................................................... 26 Figura 2. 24 MOSFET canal N com a High Side Switch. .................................................... 27 Figura 2. 25 MOSFET canal P com a High Side Switch ..................................................... 27 Figura 2. 26 Detall del muntatge dels dos MOSFETS en les proves .................................... 28 Figura 2. 27 Esquema proposat monitor tensió de bateria ................................................... 29 Figura 2. 28 Fotodíodes en diferents encapsulats comercials ............................................... 30 Figura 2. 29 Sensor de llum ambient TEMT6000 de Vishay muntat en placa “Breakout” .... 30 Figura 2. 30 Fotoresistències LDR en diferents mides......................................................... 31 Figura 2. 31 Esquema proposat monitor de llum ambient. .................................................. 31 Figura 2. 32 Interruptor de mercuri. .................................................................................... 32 Figura 2. 33 Imatge amb microscopi electrònic d’un acceleròmetre MEMS. ....................... 33 Figura 2. 34 Model simplificat i circuit equivalent d’un acceleròmetre MEMS. ................ 33 Figura 2. 35 Fully Differential Metal MEMS Accelerometer .............................................. 34 Figura 2. 36 Mesura de l’acceleració estàtica. ..................................................................... 34 Figura 2. 37 Diagrama de flux detallat del firmware .......................................................... 36
7
2.2 Introducció. La idea d’aquest projecte es va concebre sense saber-ho el dia que hem va arribar a
casa una petita plaqueta “Breakout” GY-521 [1] que porta un petit xip que tan sols fa 4 x 4
x 0,9 mm i que porta integrats un acceleròmetre de tres eixos, un giroscopi de tres eixos, i
una unitat de procés dedicada, amb algoritmes específics en processament del moviment, i
tot per menys de 10 euros. Un dia que les obligacions de la vida m’ho van permetre hem
vaig baixar les llibreries per poder connectar-la a l’Arduino [2], i vaig poder jugar una
miqueta i queda’m meravellat veient el gran salt que ha fet la tecnologia en els últims anys,
i tot el que es podia fer avui en dia amb pocs diners, si ho comparem amb els dies dels kits
de Cebek que comprava quan tenia 13 anys . Vaig guardar la placa i el Arduino al calaix i
allí es van quedar.
Passat un temps, a la feina – treballo en manteniment a PortAventura – mentre
mirava badant com el Dragon Khan sortia del lift, ho vaig veure. Vaig veure com mentre el
tren començava a accelerar caiguda a vall, el morro del tren començava a sorgir una llum
carabassa cada vegada mes forta que es començava a estendre pels costats, com es veu per
la tele com li passa a les naus quan estan reentrant a l’atmosfera, i com en arribar al punt
més alt del primer looping, i quan sembla que s’hagi de parar allí dalt, per els laterals dels
vagons sorgien uns llampecs de llum brillant, i com s’encenien proporcionalment a
l’acceleració quan el tren baixava, i s’anaven apagant gradualment quan pujava. Està clar
que no ho estava veient, si no que m’ho imaginava.
Aquell dia vaig veure clar que ho havia de fer, havia de muntar un sistema
d’enllumenat espectacular als trens del Dragon Khan, i que estaria bé fer-ho com el
projecte de fi de carrera que encara tinc pendent de fa tants anys i que ja donava per
impossible per les obligacions del dia a dia. En canvi aquella visió que vaig tindre hem va
engrescar de veritat, així que ho vaig proposar als meus caps, com una millora del sistema
que ja porten muntats els trens i que no està en servei, i ho van veure bé. Així que vaig
començar a estudiar-ho i preparar-ho i hem vaig adonar que el que realment seria
interessant i útil, encara que no tant espectacular fora que el sistema d’enllumenat fos
robust i eficient, i que no necessites que ningú tingues que engegar-lo i apagar-lo, que les
bateries poguessin durar la vida útil prevista, etc.... i que un cop muntat el hardware, el
muntar una seqüència de llums o efectes, ja es faria en estones, doncs seria tan fàcil com
bolcar el firmware, i provar. També, amb la idea que tenia el sistema hauria de poder
emmagatzemar dades que podrien resultar útils de cara al manteniment.
Així aquest projecte proposarà una actualització d’un sistema d’enllumenat que està
muntat en els trens del Dragon Khan de PortAventura. El principal objectiu del projecte
serà que aquest sistema no estigui fora de servei, que sigui robust, i funcioni d’una manera
totalment automàtica. El hardware que es muntarà tindrà la capacitat de governar el
sistema de llums en temps real en funció del moviment del tren, però no serà l’objectiu en
aquesta versió del firmware.
8
2.3 Descripció de l’atracció. Les atraccions dels parcs temàtics són unes màquines o instal·lacions preparades
per que hi puguin muntar passatgers per tal de proporcionar-los sensacions i emocions al
límit. D’aquestes, podríem considerar a les Roller Coaster en l’argot anglosaxó, o aquí,
Muntanyes Russes, com les atraccions més espectaculars i mítiques de totes. De fet
aquesta espectacularitat i grandiositat pròpia d’aquest tipus d’atraccions, fa que no es doni
gaire o cap importància a l’enllumenat temàtic o espectacular, i en molts casos aquest no
existeix.
El Dragon Khan de PortAventura, va ser la primera gran Muntanya Russa d’acer
que es va muntar a la península. No nomes va ser una gran novetat a l’estat Espanyol, si
no que a demes durant anys va mantindre records a nivell europeu com el de nombre
d’inversions, que són les vegades que els passatgers es posen cap per avall durant un
trajecte amb un total de vuit.
L’atracció consta d’una sola via de dos rails que conformen un circuit tancat. Molt
breument podríem descriure l’atracció com un tren que recorre un circuit tancat. Aquest
circuit consta d’una estació on pugen els passatgers al tren. Un cop ben lligats i assegurats
als seients, el tren es portat a la zona Lift on es elevat mitjançant una cadena propulsada
per un motor extern , ja que el tren no te cap sistema propi de tracció. Un cop a dalt,
aquest comença a baixar i agafar velocitat gràcies a l’acció de la gravetat. El tren va
recorrent tot el trajecte, i més o menys a la meitat d’aquest hi ha una zona de frenada de
seguretat, i ja fins que arriba la zona de frenada i torna a entrar a l’estació on es farà el
canvi de passatgers i tornarà a començar el cicle.
En l’annex hi ha una descripció més detallada de les principals parts de l’atracció i
del funcionament.
En la imatge de la Error! No s'ha trobat l'origen de la referència. podem veure
com el tren està remuntant el primer looping després de haver sortit del lift, que no es veu
en aquesta imatge.
Figura 2. 1 Vista panoràmica del Dragon Khan
9
2.3.1 Antecedents. Els trens d’aquesta atracció tenen un sistema d’enllumenat decoratiu o temàtic.
Aquest sistema consta d’una bateria plom/àcid de gel de 12 V 38 Ah que proporciona
l’energia a un conjunt de LED vermells d’alta intensitat que van muntats en un extrem
d’uns difusors de fibra òptica que reparteix la llum per tot el llarg de cada lateral dels
vagons de passatgers.
Figura 2. 2 Detall de la Fibra Óptica antiga.
El tren va precedit d’un vagó que s’anomena cotxe pilot. En aquest vagó no hi ha
seients per a passatgers, i es en aquest on es troba la bateria i la caixa de control de l’actual
sistema d’enllumenat. Aquest és molt senzill com es pot veure en l’esquema de la Error! No s'ha trobat l'origen de la referència..
Figura 2. 3 Esquema del antic sistema d’enllumenat.
10
Com veiem l’enllumenat s’engega i apaga mitjançant un interruptor manual, aquest
físicament està muntat en un lateral del cotxe pilot per poder engegar i apagar els llums.
Amb aquest interruptor es controla el contactor de potencia K1. El contacte de potència
d’aquest obre i tanca el positiu cap als vagons. Aquests estan connectats amb connectors
tipus BOSCH de quatre pols, utilitzant dos pins per cada pol. Amb això es té un bus de 12
V a cada vagó de on s’agafa la tensió per als LED dels laterals. La recàrrega de les bateries
es fa connectant manualment el tren al final del dia a un carregador extern en el pàrking
del tren.
2.3.2 Punts a millorables del sistema actual. - Eficiència energètica: principal punt a millorar que trobem al sistema
d’enllumenat actual, és una molt baixa eficiència energètica. Els LED muntats
tenen una tensió nominal de 2,2 V, i estan connectats cada un a 12 V per mitjà
d’una resistència en sèrie. Amb aquest muntatge el que tenim és una pèrdua del
80% de l’energia en les resistències.
- Baix nivell d’automatització: de fet el sistema actual no te cap mena
d’automatització, per tant es vulnerable al oblit del operari en la posta en marxa i
aturada del sistema, així com perdent possibilitats de millorar l’eficiència
energètica que ens permetrà la automatització.
- Poca versatilitat: l’enllumenat actual es monocrom, i no permet cap tipus de canvi
en el color, intensitat o capacitat de fer cap tipus de efecte de llums, nomes es pot
engegar i apagar.
2.4 Objectiu del projecte. Aquest projecte actuarà sobre les mancances detectades en l’apartat anterior, i dotarà
al sistema amb la capacitat de modular les llums en funció dels moviments que estigui
realitzant el tren.
L’eficiència energètica es un objectiu principal. Muntarem convertidors de
commutació comercials per millorar l’eficiència ja que adaptarem la tensió de la bateria a
la tensió d’alimentació dels LED. Amb aquest tipus de convertidors el rendiment energètic
pot variar entre el 62% i el 96% [3].
També en aquest àmbit de la millora de la eficiència energètica substituirem el
contactor electromecànic K1 del tipus d’automoció per un interruptor d’estat sòlid
mitjançant MOSFET. Farem treballar el MOSFET com un interruptor 100% temps on.
Les pèrdues per conducció, seran inclús millor que les pèrdues dels contactes del contactor
actual donat que actualment es poden trobar unes RDS(ON) de l’ordre dels 10 mΩ en
MOSFET canal P per a les potències que controlarem. A més tindrem una esperança de
vida del dispositiu quasi de per vida comparada amb la del sistema electromecànic, així
com una millor immunitat a les vibracions pròpies de un vehicle d’aquestes
característiques.
En quant a l’automatització del sistema, l’objectiu es muntar un controlador digital
basat en una placa de microcontrolador de propòsit general. Aquest controlador
supervisarà la llum ambient, el moviment del tren i la tensió de la bateria. En funció
d’aquests paràmetres i d’una forma totalment autònoma decidirà quan s’han d’encendre i
apagar les llums, modulant la intensitat si cal, o si ha de quedar-se en mode de baix
consum si la tensió de la bateria està perillosament baixa. Gràcies a l’automatització
11
s’aconseguirà l’estalvi energètic més gran de tots, ja que només consumirem energia quan
sigui realment necessari.
Com a tercer objectiu del projecte tenim la millora de la versatilitat del sistema
aportant a aquest noves prestacions. La idea principal és substituir les fibres òptiques amb
LED d’alta intensitat dels laterals dels vagons per uns moderns LED RGB programables.
Aquests, es podran controlar un a un, i modular tan el color com la intensitat. El format
serà una Strip o tira flexible de circuit imprès que és muntarà en la mateixa posició que
ocupen les fibres òptiques difusores actuals. El nou sistema permetrà canviar el color de
les llums, muntar seqüències de llums, etc... Al muntar un sistema totalment programable
per software, sempre es podrà adaptar o tematitzar l’enllumenat dels trens a les diferents
temporades i esdeveniments del parc (Estiu, “Halloween”, Nadal, festes específiques)
d’una forma senzilla.
2.4.1 Especificacions que ha de complir el nou sistema. Amb l’estudi del sistema actual i de l’atracció en funcionament s’han determinat les
especificacions funcionals amb que ha de complir el nou sistema:
- L’enllumenat només ha de funcionar en fer-se fosc.
- Els llums nomes han de funcionar quan el tren està en la zona de gravetat.
- Possibilitat de canviar el patró de l’enllumenat (tematització).
- Bateria:
4 h d’autonomia.
Recàrrega en 8 h.
Protecció contra descarregues profundes.
- Mantenir el sistema de cablejat muntat en el tren:
Connectors (Bosch 0 352 040 002).
Cablejat de 3 x 10 mm2
2.4.2 Abast del projecte. L’abast d’aquest projecte es dissenyar el nou sistema i muntar un prototip en un tren
per posar-lo a prova i així poder comprovar i millorar si s’escau el muntatge proposat
abans de adoptar-lo definitivament en els tres trens de l’atracció. Així en el prototip només
es muntaran LEDs en el lateral esquerre dels cinc primers vagons d’un tren de l’atracció.
Es imperatiu mantindre els elements hardware muntats ja en el tren, com el cablejat,
connectors entre vagons, sistema de subjecció i tipus de bateries. Tots aquests elements ja
venen muntats de fàbrica en el tren, i com no es possible fer modificacions en les
estructures del tren sense les pertinents homologacions, el propi projecte és marca el
requisit de no fer cap modificació en aquests elements.
Un objectiu al que s’ha renunciat per aquest motiu en el present projecte, és la
connexió automàtica del carregador de bateries mitjançant contactes lliscants en la zona
del Storage del tren. Tot i que es proposarà que en un futur es dugui a terme
12
2.5 Proposta per al nou sistema. Un cop establerts els requeriments per al nou sistema d’enllumenat, i amb les dades
recopilades en l’annex del funcionament de l’atracció, podem començar amb el disseny del
nou sistema.
2.5.1 Diagrama de flux del funcionament . També hem definit el funcionament bàsic que ha de seguir el controlador. Aquest, es
el més simplificat que podem, a partir d’aquí s’haurà d’anar subdividint en diferents
passos més específics que ens seran de gran ajuda a l’hora d’implementar el firmware.
Figura 2. 5 Diagrama de flux simplificat.
Figura 2. 4 Esquema general del nou sistema.
13
La principal tasca que farà el controlador és decidir el moment d’engegar i apagar
els llums. Això però s’ha de fer prioritzant al màxim l’estalvi energètic. El controlador
s’inicialitzarà tant bon punt es connecti la alimentació, configurant el els perifèrics. Un cop
inicialitzat entrarà en mode sleep o adormit, i romandrà en aquest estat en que el consum
serà del ordre dels micro ampers fins que una interrupció generada per un temporitzador
de baix consum intern el “desperti”. En aquest moment comprovarà si ha d’engegar o no
els llums. Si els ha d’engegar, ho farà durant un temps establert, i quan acabi tornarà a
entrar en mode sleep fins al següent despertar al cap de 8 s.
2.6 Elements pel nou sistema. Descripció dels elements escollits per implementar el nou sistema. En l’hora de la
selecció s’haurà de tenir en compte que hauran de poder implementar la funcionalitat
d’enllumenat espectacular per quan un cop provat el prototip i posat a punt, es pugui
implementar aquesta prestació sense haver de tornar a modificar el hardware.
2.6.1 LED. Un díode LED [4], acrònim en anglès de Light Emitting Diode (díode emissor
de llum) és un opto-semiconductor que emet llum quan se'n polaritza de forma directa la
unió PN i s’estableix un corrent elèctric. El color de la llum emesa, depèn del element
utilitzat en el dopatge del silici, aquest pot variar des de l'ultraviolat, passant per l'espectre
de llum visible, fins a l'infraroig. En l'últim cas, reben la denominació de díodes
IRED (Infra-Red Emitting Diode).
En la Figura 2.6 podem observar amb descripció les part que formen un LED en el
clàssic encapsulat SOD63.
Figura 2. 6 LED en encapsulat SOD63.
14
LED RGB : un LED RGB són en realitat tres LEDs muntats en un mateix
encapsulat. RGB són les sigles en l’anglès dels tres colors primaris Red, Green, Blue. Si es
munten molt pròxims, i es va variant la intensitat de cada un dels tres LED, es pot
aconseguir una font de llum capaç de emetre totes les tonalitats cromàtiques. Es poden
trobar models amb ànode comú i amb càtode comú. En la Figura 2.7 es veu un dibuix i
l’esquema d’un led RGB amb càtode comú.
Figura 2. 7 LED rgb discret càtode comú i esquema intern
Driver LED RGB: existeixen en el mercat ICs especialitzats per controlar LEDs
RGB, ja siguin aquests integrats en un sol encapsulat, o tres leds discrets com es veu a la
Figura 2.7. Resumint es tracta d’un integrat que conté tres fonts de corrent programables
digitalment[5].
Com aquest tipus de IC normalment estarà muntat en forma de matriu o tira amb
altres com ell per construir sistemes d’enllumenat espectacular, pantalles gegants, etc...,
tenen sempre un tipus de bus de comunicació entre ells per tal que els sistema els pugui
comunicar i per tant controlar individualment. Hi ha xips amb connexió per al bus SPI, o
com el utilitzat en aquest, que es tracta d’una connexió sèrie en cascada, en concret
observem un pin anomenat DIN que és la entrada de dades, i un anomenat DO que es la
sortida de dades, que servirà per connectar al DIN del següent WS2811.
Figura 2. 8 Esquema de connexió del xip controlador de LED RGB WS2811
15
LED RGB Digital: un LED RGB digital és un dispositiu que porta integrats en un
mateix encapsulat tant els tres LED R, G i B, com el circuit controlador que ja s’ha
esmentat abans. En la Figura 2.9 es pot veure una imatge ampliada de dos d’aquests tipus
de xips en encapsulat SMD5050 on es poden observar clarament els LEDs i el controlador,
així com les interconnexions entre aquests. En la fotografia a part dels LED i el controlador
s’aprecien unes superfícies metàl·liques, aquestes son les continuacions dels pins de
contacte exterior, i es pot veure que el model WS2812B [6]( més modern que el WS2812 )
només en té quatre: positiu, negatiu, entrada de dades, i sortida de dades. Menys
connexions vol dir menys cost i menys possibilitat de falles en la soldadura.
Figura 2. 9 Fotografia en detall de dos models de LED RGB amb el controlador integrat.
Control del LED RGB digital: En l’apartat anterior hem anomenat diferents tipus de
bus de control per als drivers RGB que existeixen al mercat. En els models abans
esmentats amb control SPI, els drivers son esclaus d’un bus de comunicacions controlat
per un màster. Aquest tipus de connexió te l’avantatge que si un dels esclaus s’avaria (
sempre que aquesta avaria no afecti a les línies del bus ) només perdrem el LED avariat.
Tot i que aquest tipus de LED seria bastant indicat per l’aplicació, no compleix amb els
requisits de mantindre de moment el cablejat ja muntat en els trens, ja que necessita una
connexió de dos fils (dades i rellotge ) per cada 64 píxels, així com els dos cables per
l’alimentació.
Un altre tipus de sistema de control que si que compleix amb el requisit de utilitzar
només tres cables, es el que utilitzen els LED WS2812 i WS2812B del fabricant xines de
LED WORLDSEMI. Es tracta d’un bus sèrie en cascada, on el primer LED de la sèrie
llegeix els bits de control, un cop ha rebut una trama completa, es fa transparent per al bus,
i re composa i amplifica les dades d’entrada per que el següent LED de la sèrie pugui llegir
les dades. Aquest sistema de control no te límit de nombre de LED en la sèrie. El límit
vindrà donat per el temps de refresc per a un canvi en els LED que es determini màxim en
cada aplicació.
16
Les principals característiques del WS2812B son :
El circuit de control i els LED RGB estan integrats en un encapsulat SMD 5050
integrant un PIXEL independent.
Cada píxel te una resolució de 8 bit per color primari, donant una total de
16777216 tonalitats diferents.
Control del píxel per una sola línia de dades amb una velocitat de fins 800
Kbps, el que permet 30 fps en sèries de menys de 1024.
Els drivers de sortida permeten fins 5 m de distància entre píxels.
El bus de dades es del tipus 1 wire, i no hi ha línea de rellotge. En la Figura 2.10
tenim el quadre de temporitzacions per la línea de dades que ha de seguir el controlador
per comunicar-se correctament amb els LED WS2812B. D’aquest quadre ja podem treure
una dada important per determinar el microcontrolador que utilitzarem, ja que aquest haurà
de poder complir amb la temporització necessària per implementar aquest protocol en una
sortida digital.
Figura 2. 10 Taula de temporització de línea de dades del WS2812B.
LED Strip: son cintes de PCB flexibles on van muntats els LED SMD. Son molt
pràctiques i versàtils ja que es poden trobar varietats de densitats de LED per metre, i
graus de protecció d’encapsulat diferents. La seva flexibilitat fa que es puguin adaptar a
superfícies irregulars, i també es poden tallar a distancies que venen indicades en la
serigrafia per tal de adaptar-les fàcilment en diferents tipus de muntatges i aplicacions.
Aquesta és la nostra selecció, una LED Strip WS2812B de 30 LED per metre o sigui un
LED cada 33,3 mm .També haurà de suportar la intempèrie, i per tant han de anar
muntades en una funda protectora.
17
En un principi les Strip LED acostumaven a ser blanques. La que nosaltres hem
muntat ja es negra, i per tant es queda més ben dissimulada. En l’actualitat els fabricants
ofereixen LEDs en encapsulat negre que encara les dissimula millor depenent de la
aplicació.
Figura 2. 11 LED strip 30 LED x m IP64.
En el prototip s’han muntat Strip LED sense protecció. La Strip LED amb
protecció té unes dimensions que no caven en la cavitat on anaven les antigues fibres
òptiques, i no he volgut fer cap modificació que impliques a tercers. De moment s’han
muntat Strip LED, i s’han cobert amb silicona adhesiva especial.
Figura 2. 12 Detall de la Strip LED ja muntada en un lateral del vagó.
18
2.6.2 Convertidor DC/DC Un cop ja tenim decidit el tipus de LEDs que muntarem, i per tant ja sabem la
tensió d’alimentació que necessiten, hem de triar un convertidor DC/DC comercial per
adaptar els 12 V de la bateria als 5 V dels LEDs.
Un convertidor DC/DC el podem considerar un equivalent a un transformador AC,
en corrent continu. Els convertidors es poden trobar en topologies elevadores, reductores,
elevadores reductores o inversores de tensió. Aquests poden tenir aïllament entre primari
i secundari, o sense aïllament, amb una massa comuna entre entrada i sortida.
Esquemàticament podem representar un convertidor com un sistema amb dos terminals
d’entrada i dos de sortida on es modifiquen les relacions intensitat i tensió entre la entrada
i la sortida, però en que la potencia de l’entrada és la mateixa que la de la sortida.
Aquest tipus de circuits s’utilitzen, i cada vegada més en una amplíssima varietat
d’aplicacions. Tant en sistemes d’alta potència, com poden ser el control de motors de
trens, sistemes de frenada regenerativa de motors industrials, com també en sistemes de
petita potencia , com són la major part de les fonts d’alimentació dels aparells electrònics,
com els comuns carregadors de mòbil. També dintre dels propis circuits els podem
trobar adaptant la tensió d’alimentació en diferents punts on es necessita convertir les
característiques tensió corrent.
Aquests circuits aporten molts avantatgés en front dels reguladors lineals, com
poden ser una millora substancial del rendiment i una disminució de les dimensions i per
tant de la quantitat de materials utilitzats, el que els ha fet indispensables en els aparells a
piles o bateries. També aquesta millora implica una menor agressió al medi ambient ja
que s’aconsegueix un millor aprofitament tant dels recursos energètics com de les
matèries primeres que necessiten. Si comparem una petita font d’alimentació de 5 V 1 A
de fa 25 anys, fàcilment podia arribar a pesar ½ Kg i no ens cabria en una butxaca gran, i
avui en canvi un carregador de mòbil d’aquesta mateixa potència pot ser gran com la clau
d’un cotxe, i al igual que aquestes es manté una mida artificialment gran per que pugu i
ser ergonòmic i còmode d’utilitzar.
Un dels prerequisits per el present projecte es no haver de modificar els conductes
i el cablejat ja muntat en el tren. S’ha comprovat en la memòria de càlcul que amb el
cablejat muntat no podem distribuir l’energia a 5 V. Per tant l’opció més clàssica que
seria muntar un convertidor centralitzat en el cotxe pilot no es pot utilitzar, ja que la
caiguda de tensió en el cablejat la fa inadmissible. Així la distribució de la tensió
d’alimentació la farem als 12 V nominals de la bateria, i farem una conversió localitzada
>
>
+
𝑣 2
_
+
𝑣 1
_
𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑑𝑜𝑟
𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑚𝑢𝑡𝑎𝑐𝑖ó
𝑖 1
𝑖 2
Figura 2. 13 Convertidor commutat simplificat.
19
de la tensió d’alimentació just en el punt de consum. D’aquesta manera a part d’acomplir
amb els requisits, millorem l’eficiència energètica global del sistema.
Tot i que ja fa uns quants anys que existeixen aquests tipus de circuits en fonts
d’alimentació de panell i en potències mitjanes, ha costat una mica trobar un convertidor
que complís amb les característiques que necessitàvem, ja que per aquest nivell de tensió
i potència, o eren fonts d’altes prestacions pensades per a instrumental de precisió , i amb
un cost totalment incoherent amb el nostre muntatge, o convertidors sense fabricant
definit sobretot destinat a el mon del modelisme i del cada dia més extens univers dels
drons. Per tant en aquests últims no tenim cap mena de seguretat que compleixin les
homologacions i estàndards de seguretat que es requereixen en una aplicació d’aquestes
característiques. Finalment hem trobat un convertidor el El OKI-78SR series[7], aquest
convertidor està pensat especialment per a substituir els integrats lineals de la sèrie 78XX
en encapsulat TO220.
Figura 2. 14 Comparació 7805 i el OKI-78SR series.
Les principals característiques del OKI-78SR series son
Rang d’entrada de 7 a 36 VDC.
Sortida 5 VDC, fins a 1.5 Ampers.
No necessita dissipador plena càrrega.
Substitut pin a pin del 7805.
Eficiència d’entre el 89% i el 90,5% sense components externs.
Protecció contra curtcircuits.
Com aquest circuit està pensat per el muntatge en placa, els soldarem dos cables
llargs d’entrada per tal de muntar-los el més pròxims al lloc de consum. Els encapsularem
amb tub termoretràctil per protegir-los.
20
2.6.3 Bateria. Com s’ha establert un dels requisits es muntar el mateix tipus de bateria que el que
utilitzava el sistema anterior. Es tracta d’una SBS40, bateria Plom/Àcid-Gel de 12 V i 38
Ah de capacitat nominal de la casa PowerSafe. De la memòria de càlcul tenim que el
consum màxim de corrent serà de 11,8 A. Per tant en un primer moment pot semblar que
no compleix amb les especificacions de temps d’autonomia, però si mirem el quadre de
temps de funcionament dels llums en els trens de l’annex, veiem que l’acompleix donat
que el Duty cycle més desfavorable és de tant sols el 31%. Així com també s’ha de tenir
en compte que sempre parlem del corrent màxim per dimensionar i fer els càlculs, però
aquest corrent màxim implica emetre llum blanca en els LEDs i a màxima potència, però
el seu funcionament mes habitual serà el 33% o el 66% del corrent màxim, que equival a
un color pur R, G o B, una combinació RG, RB, GB o qualsevol altra.
2.6.4 Controlador. La intenció és utilitzar una placa de microcontrolador de propòsit general. Les
poques unitats previstes, no justifica el cost de fer una PCB específica per la aplicació.
Tampoc necessitem unes grans prestacions per assolir els requisits preestablerts, i de pas
mantindrem baix el preu del prototip i de les unitats finals.
2.6.5 El món del Open HW ( Hardware Obert ). Actualment estem vivint una petita revolució en el món del Hardware, tal com ja
havia passat amb el software cada cop tenim més alternatives lliures de tota mena de
maquinari, que passen des de petites plaques de control a projectes tan engrescadors com
Arduino o Raspberry Pi[8].
L’origen de bona part de les tecnologies actuals s’ha creat o popularitzat en entorns
de creació lliure ja des dels seus principis en universitats. Aquesta entorn de cultiu ha creat
una font de negoci tan gran que ha creat una divisió entre els que pensen que el
coneixement ha de ser lliure per a tothom i els que defensen la propietat intel·lectual. Un
de les persones més radicals, a la vegada que més icòniques i productives del sector, és
Richard Stallman. L’any 83, després de batallar a favor dels seus ideals de compartir codi
de forma lliure va crear el projecte GNU per crear un Sistema Operatiu completament
lliure, i l’any 85 va crear la fundació FreeSoftwareFundation que promovia la llibertat
absoluta en el camp del programari. Com era d’esperar aquesta radicalitat, i el fet que la
paraula Free en anglès vol dir llibertat i gratuït, va fer que alguna gent del sector, la
majoria, incitats per grups empresarials, establissin unes noves normes del joc, a la vegada
que l’hi canviaven el nom. Així va ser com en el 1998 es crees el moviment Open Source,
liderat per Tim O’Reilly, en català s’acostuma a traduir com a Codi Obert. Tot el
moviment estava bastant basat i pensat en el Software, no obstant l’abaratiment de la
electrònica i la popularització d’Internet va fer aplicar els mateixos principis de compartir
coneixements amb el naixement del Open Hardware.
21
Figura 2. 15 Logotip d’Arduino.
2.6.6 Arduino.
Arduino és una plataforma de prototips de microcontrolador de hardware obert. La
seva principal característica es que està dissenyat, tant el maquinari com el programari, per
ser fàcil d'utilitzar fins i tot per persones que no tenen coneixements previs de electrònica
ni de programació.
Arduino va néixer a la ciutat italiana de Ivrea, al Interaction Design Institute Ivrea,
com una eina per al prototipat ràpid i fàcil. La seva facilitat d’utilització el va fer arribar
aviat a una comunitat molt amplia d’usuaris. Que el projecte Arduino sigui de hardware
obert, ha permes que molta gent adaptes les plaques a les seves necessitats particulars, i
com el programari també és de codi obert, ha fet que el software per a Arduino, creixi
molt ràpid gràcies a les aportacions de usuaris de tot el món. En la Figura 2.16 veiem
una de les primeres versions d’Arduino, encara amb placa d’una sola cara i comunicació
per port sèrie.
Figura 2. 16 Arduino Single-Sided Serial version 3
A través dels anys Arduino ha estat el cervell de milers de projectes tant per objectes
quotidians, com en complexos instruments científics. Existeix una gran comunitat mundial
de fabricants, estudiants, aficionats, artistes, programadors i professionals, que amb les
seves contribucions han acumulat una gran quantitat de hardware compatible i accessori,
així com una extensa quantitat de coneixement i documentació accessible al web que pot
ser de gran ajuda tant per als principiants com per als experts.
22
Arduino utilitza microcontroladors de Atmel de 8 bits, tot i que podem trobar
plaques amb microcontroladors de 32 bits. Com hem dit Arduino va néixer per permetre
un prototipat ràpid, però un cop el prototip ja està provat i posat a punt, també tenim
Arduinos específics per al muntatge final en els que ja no hi han elements superflus. Per
exemple en aplicacions alimentades a piles on el baix consum és imperatiu, ens podem
trobar que el regulador lineal de tensió o el led de Power On, no ens convinguin.
En la Figura 2.16 tenim una imatge i les principals característiques de la placa
Arduino Uno, que és la més comú i per tant de la que més documentació, aplicacions i
exemples, es poden trobar el que la fa una de les millors opcions per començar amb
Arduino.
Figura 2. 17 Arduino Uno and technical specifications.
Shields. Els shields són plaques amb hardware específic per diferents aplicacions. Els
shields donen molta versatilitat a Arduino, mantenint la facilitat de muntar prototips, ja
que en molts casos no caldrà utilitzar el soldador. Aquests Shields porten connectors que
encaixen amb els connectors femelles que porta la placa Arduino, i expandeixen “el bus”
de l’Arduino a la placa muntada.
Figura 2. 18 Aplicació que utilitza dos Shield.
23
En la Figura 2.19 veiem en detall el Arduino Motor Shield. Aquesta placa permet
per exemple el control de dos càrregues inductives com per exemple dos motors DC de
petita potencia en quatre quadrants gracies al L298 Dual Full-Bridge Driver que porta
muntat, també permet controlar el corrent absorbit per cada motor, i que pot ser molt
pràctic en el món de la robòtica.
Figura 2. 19 Arduino Motor Shield.
2.6.7 Quin Arduino triem? De moment no hem trobat un Shield per connectar i controlar directament una
LED Strip WS2812B, i no és estrany, ja que a nivell hardware l’únic que necessitem es
un port de sortida digital normal i corrent del Arduino per poder fer funcionar el tipus de
LED que hem triat. El que si que farà falta es una bona quantitat de codi que implementi el
protocol de comunicació. A la pàgina Github.com [9] hem trobat llibreries per controlar
aquest tipus de LED. De la memòria de càlcul tenim que el tren tindrà en total 420 píxels,
i com el color de cada píxel te una profunditat de 24 bit, necessitem com a mínim 1260
bytes de memòria per emmagatzemar el patró de llums en RAM si s’ha de fer algun tipus
de efecte els 2 KB del Arduino podrien resultar una mica justos, així que per no haver de
patir i per poder en un futur augmentar les prestacions triarem un Arduino Mega 2560 que
compta amb 8 KB de RAM. També en la Figura 2.20 es pot observar com te molts més
ports d’entrada i sortida que la versió de Arduino Uno.
Figura 2. 20 Arduino Mega 2560
24
També hem de tenir en compte que l’objectiu del projecte es muntar un prototip, i
que un cop muntat i provat amb les característiques finals del muntatge i el firmware, ja es
podria triar un model d’Arduino que s’ajustés millor a l’aplicació final.
Per acabar també agafarem un Shield de Arduino que ens servirà per muntar el
prototip pels circuits que mostrarem en el següents apartats. Es tracta del Prototype Shield
que com el seu nom indica està pensada per el muntatge de prototips. Com es veu en la
Figura 2.21 és un Shield que es connecta a la placa d’Arduino com tots Shields, però la
part central de la placa és una placa típica de prototips perforada amb pads individuals i
pistes connectades a massa i als positiu de l’alimentació.
Figura 2. 21 Prototype Shield
2.6.8 Interruptor principal. En un principi amb el canvi de LED normal a LED RGB Digital que farem, podríem
eliminar el interruptor ja que els LED, ara s’encenen i s’apaguen per software, i podríem
considerar que cada LED te el seu propi interruptor, cosa que no es certa. El que tenim és
un IC, que te un consum -per petit que sigui- dels circuits interns tant bon punt es dona
tensió.
Com ja hem fet esment, canviarem l’antic contactor del tipus automoció[10] per un
MOSFET com es pot veure en la Figura 2.22. No en tots els casos es pot fer aquest canvi.
En funcionament normal i per motius de seguretat en algunes aplicacions hi ha moments
en que els actuadors han de quedar aïllats galvànicament de les fonts d’energia. Però com
aquest no és el nostre cas, aquest canvi ens reportarà un estalvi energètic i una expectativa
de vida útil mes llarga, una disminució en el pes del sistema, etc...
25
Figura 2. 22 Canvi del contactor Electromecànic per un element d’Estat Sòlid
Avantatges dels SSR “Solid State Relay” en front els EMR “ElectroMechanical
Relay” [11],[12]:
Estalvi energètic en el funcionament. El contactor consumeix 150 mA en
front els virtualment 0 del SSR.
Estalvi energètic per una menor caiguda de tensió en el “contacte” del SSR
en front del EMR. En el nostre cas per 10 A a 12 V tenim una caiguda de
tensió Drenador Surtidor < 20 mV en el MOSFET, en front dels < 80mV
en el EMR.
Expectativa de vida més llarga, no tenen contactes ni parts mòbils.
Major immunitat a xocs i vibracions.
Ocupen menor espai.
No provoquen distorsions magnètiques en els circuits .
No provoquen soroll.
Etc......
Un cop ens han quedat clars els avantatges dels SSR, hem buscat en el mercat, i no
ho he fet prou ve, ja que no he aconseguit trobar un Relé comercial amb encapsulat
d’automoció o equiparable per fer el canvi de l’un per l’altre. Si que he trobat SSR
industrials amb potencies equiparables, però no tenien el problema que estan pensats per
anar muntats amb la massa comuna o muntatge Low Side Switch, com explicarem en el
següent apartat.
2.6.9 Topologia de l’interruptor. Els circuits interruptors en general els podem diferenciar segons la topologia del
circuit en dos grups com veiem en la Figura 2.23. L’interruptor pot ser com en aquest cas
un MOSFET , o un transistor BJT o també un interruptor electromecànic.
26
Figura 2. 23 High Side i Low Side Switch.
- Low Side Switch: L’interruptor talla el retorn de l’alimentació. En aquest cas, i
degut a la resistència dels interruptors ja siguin semiconductors o contactes
metàl·lics, implica que la tensió de massa del circuit controlat variï amb la
pròpia corrent de càrrega.
- High Side Switch: El interruptor talla la tensió d’alimentació. En aquest cas serà
la tensió d’alimentació es la que variarà en funció de la corrent que absorbeix la
càrrega. Aquesta serà la topologia que adoptarem en el nostre sistema.
2.6.10 MOSFET. Com era d’esperar el tipus d’interruptor que utilitzarem serà un MOSFET [13]. Una
de les principals raons és el nivell de tensió que tenim, ja que els MOSFETS, de tots els
interruptors semiconductors és el pitjor en quant a tensions màximes d’operació que no sol
sobrepassar els 200 V [14]. Un MOSFET és un interruptor controlat per tensió, que
requereix una quantitat de corrent ínfima d’entrada per carregar la capacitat que presenta la
Porta. Tenen una velocitat de commutació molta alta. El seu punt feble és la seva alta
sensibilitat a les descàrregues electrostàtiques. Els MOSFETS poden ser de dos tipus,
d’esgotament i d’enriquiment. Tan sols ens queda triar el tipus de MOSFET que
utilitzarem. Aquest pot ser de canal N o canal P. La tria entre un MOSFET de canal P o
de canal N dependrà de les necessitats específiques de l'aplicació. Els MOSFET de canal N
tenen diversos avantatges sobre el MOSFET de canal P. Per exemple els portadors
majoritaris són electrons, que tenen una major mobilitat que els forats que són els
portadors majoritaris del canal P. A causa d'això, els MOSFET canal N tenen una menor
RDS(ON), el que els fa més aptes per aplicacions d’alta corrent. També son més barats.
Quan s’utilitza un MOSFET de canal N en un muntatge High Side Switch , com es
pot veure en la Figura 2.24, el Drenador està connectat directament a la tensió
d’alimentació, i el Sortidor va connectat a la càrrega. D’aquesta manera necessitem una
font auxiliar per poder fer entrar en conducció el MOSFET. Amb aquesta configuració el
control és negat.
27
Figura 2. 24 MOSFET canal N com a High Side Switch.
La major complexitat del circuit de control d’un MOSFET canal N en posició High
Side Switch, fa que tot i tindre unes prestacions millors que el tipus P, en algunes
aplicacions, com és ara la nostra, un MOSFET de canal P sigui la millor opció. En la
Figura 25 es pot veure com si la tensió d’alimentació es prou alta, amb una resistència i
un transistor se soluciona el circuit de control sense haver de posar cap font de tensió
auxiliar .
Figura 2. 25 MOSFET canal P com a High Side Switch
28
Per triar el MOSFET Q1 , ja sabem que ha de ser del tipus P, i que el principal
paràmetre a considerar, es el corrent màxim que haurà suporta que és 11,8 A, les tensions
màximes i s’ha de poder saturar bé amb el nivell de tensions que treballem . Hem escollit
el IRF4905 [15] amb encapsulat TO220AB. En la memòria de càlcul s’ha establert el
dissipador de calor [16] necessari per el funcionament en zona segura del MOSFET.
Les principals característiques son:
VDSS = -55 V
RDS(ON) = 0,02 Ω
ID = -74 A
En quant al MOSFET Q2 de canal N, no necessitem gaires prestacions, ja que el
corrent que ha de governar són 1,2 mA. Això ho faria un transistor SMD invisible, però
com es tracta d’un prototip el principal criteri ha estat ser pràctic i hem escollit un robust i
econòmic IRFZ44[13] principalment per que el teníem al calaix i és amb el que varem
començar a fer les proves. En la Figura 2.26 veiem els dos transistors en el moment de fer
les primeres proves. Veiem el Q1 muntat amb el dissipador i amb el aïllament de silicona
conductora, per deixar el dissipador aïllat del Drenador del MOSFET. Cal dir que també
que en el MOSFET Q2 l’encapsulat també està connectat al Drenador, i s’han de adoptar
també les mateixes precaucions en el moment del muntatge per que aquest no faci contacte
a cap altra part del circuit o massa.
Les principals característiques son:
VDSS = 60 V
RDS(ON) = 0,028 Ω
ID = 50 A
Figura 2. 26 Detall del muntatge dels dos MOSFETS en les proves
29
2.6.11 Monitor de tensió de la bateria. Com ja hem dit una de les tasques que ha de fer el controlador, es supervisar la
tensió de la bateria, per impedir que es descarregui fins nivells perillosos, i per tant serà el
primer circuit que haurem de dissenyar, i també serà el primer que haurà de comprovar el
controlador quan es desperti del mode sleep .
La tensió la mesurarem mitjançant el convertidor A/D del Arduino, que té una
resolució de 10 bit. Per mesurar la tensió escalarem la tensió de la bateria per mit ja d’un
divisor resistiu de manera que si tenim una tensió de 15 V a l’entrada, tinguem 5 V a la
sortida.
Amb aquest escalat aconseguim aprofitar al màxim la referència de tensió del
Arduino de 5 V. Tot i que el divisor resistiu pot tindre una resistència elevada, la tensió en
el divisor és mesurarà passat l’interruptor principal MOSFET, així evitarem el consum
d’energia en el divisor quan no estem funcionant, ja que encara que sembli que pot ser
insignificant es d’un ordre de magnitud més gran que el corrent del controlador en mode
sleep, i la resistència del divisor tampoc es pot pujar massa si es vol mantenir una mica la
precisió de la lectura [14]. Com es pot veure en la Figura 2.27 el divisor estarà format per
dues resistències fixes, i un potenciòmetre d’ajust que calibrarem al laboratori. Aquest
potenciòmetre haurà de poder absorbir la tolerància de les resistències utilitzades, 5%.
Figura 2. 27 Esquema proposat monitor tensió de bateria
30
2.6.12 Detecció de la llum ambient. L’enllumenat només funciona de nit, així el primer que el controlador haurà de
determinar es si ja és de nit o prou fosc. Per aquesta tasca necessitem algun transductor de
llum, o sensor ja muntat que permeti al controlador determinar el moment d’engegar els
llums. Disposem de diferents tipus de transductors de llum discrets, així com una gran
varietat de sensors digitals o analògics preparats i calibrats:
FOTODIODE: Un fotodíode [15] és un semiconductor construït amb una unió PN,
sensible a la incidència de la llum visible o infraroja. Perquè el seu funcionament sigui
correcte es polaritza inversament, de manera que es produirà una certa circulació de corrent
quan sigui excitat per la llum. Degut a la seva construcció, els fotodíodes es comporten
com cèl·lules fotovoltaiques, és a dir, il·luminats en absència d’una font exterior d'energia
poden generar un petit corrent. Aquest element te una resposta ràpida a les variacions de
llum i per tant es poden treballar en sistemes més ràpids.
Figura 2. 28 Fotodíodes en diferents encapsulats comercials
SENSOR DE LLUMINOSITAT INTEGRAT: Actualment en el mercat trobem
una gran varietat de xips que contenen un sensor de llum complets amb un consum ínfim.
El element sensor és normalment un Fotodíode. Aquests ICs poden ser digitals com per
exemple el BH1750FVI [16] de Rohm SEMICONDUCTOR, o analògics com el
TEMT6000 [17] de Vishay, que te una sensibilitat de 0,5 μA x lux. També podem trobar
petites plaques “Breakout” [18] amb el sensor muntat i amb els pins accessibles, que són
molt pràctiques per prototips basats en plaques de microcontrolador com el que volem
muntar.
Figura 2. 29 Sensor de lluminositat TEMT6000 de Vishay ja muntat en una placa.
31
FOTORESISTENCIA O LDR: Una fotoresistència o LDR de l’anglès Light
Dependent Resistor, es un component electrònic de dos terminals. La resistència entre
aquests terminals és dependent de la llum que incideix. El rang dinàmic és molt gran, i va
de unes desenes de ohms quan està ben il·luminada, a desenes de megohms en la foscor.
El seu funcionament es basa en l’efecte fotoelèctric. Per a la seva construcció s’utilitza
sulfur de cadmi.
Figura 2. 30 Fotoresistències LDR en diferents mides
De tots aquests escollim la LDR, ja que en l’aplicació no necessitem una gran
velocitat, ni gran precisió en el muntatge, i és molt econòmica i robusta, i la podrem
connectar directament a una entrada analògica del microcontrolador amb un simple divisor
de tensió resistiu. El circuit proposat es pot veure en la Figura 2.30.
Figura 2. 31 Esquema proposat monitor de llum ambient.
El circuit està format per la LDR (R2) en sèrie amb la R3 per formar un divisor de
tensió. R1 es una resistència de 1 KΩ. Per mantenir un consum baix d’energia, aquest
circuit s’alimentarà amb una sortida digital del Arduino només quan s’hagi de fer una
lectura del nivell de llum.
32
Figura 2. 32 Detall de la posició de la LDR sota del morro del tren mirant a terra.
2.6.13 Detecció del moviment del tren. Per poder determinar si el tren es mou o està parat necessitem algun tipus de
transductor o sensor que indiqui al controlador que el tren s’està movent. En realitat
seguint el diagrama de flux que hem definit el que volem saber és la inclinació respecte al
terra. Per tant el que busquem és un inclinòmetre. Hem trobat molts tipus de inclinòmetres
però els únics sobre els que parlarem son els que per mida, complexitat i preu podrien
funcionar en la aplicació.
INTERRUPTOR DE MERCURI. Aquests tipus de detectors s’han utilitzat i
s’utilitzen en els sistemes antirobatori de vehicles i també en pressòstats i termòstats.
Tenen bastants inconvenients , com són la fragilitat mecànica, dificultat de regulació, i a
demés no hem d’oblidar la toxicitat del mercuri. Per tant no els tindrem en compte.
Bàsicament son una ampolleta de vidre amb dos elèctrodes. Aquests estan posats de tal
manera que en posició horitzontal una gota de mercuri que hi ha a l’interior tanca el
contacte entre els dos elèctrodes. L’hauríem de muntar en una posició en que a partir d’una
inclinació una mica inferior als 26º del lift es tanqués el circuit i activés directament una
entrada digital al microcontrolador.
Figura 2. 33 Interruptor de mercuri.
ACCELEROMETRE MEMS.
33
MEMS de l’anglès Microelectromechanical Systems [19]es el nom amb que
s’anomena als circuits integrats que contenen peces mòbils a escala nanomètrica. Aquest
tipus de dispositius capaços de detectar moviments, com ara els acceleròmetres, giroscopis
i brúixoles.
Figura 2. 34 Imatge amb microscopi electrònic d’un acceleròmetre MEMS.
Giroscopis: Mesuren la velocitat angular amb independència del camp gravitatori. Es
pot obtenir la acceleració angular per derivació del desplaçament angular per integració. Es
fan servir per a control de posició i navegació inercial.
Compàs magnètic: Estrictament parlant no és un dispositiu MEMS, ja que no té cap
part mòbil, però se sol integrar dins d’aquest mateix sac. Aquest component mesura el
camp magnètic que li arriba a la seva superfície detectora (sovint del tipus magneto
resistiu).
Acceleròmetres: Mesuren el canvi en la velocitat, el que s’anomena acceleració
dinàmica o AC i també mesuren l’acceleració gravitatòria, el que s’anomena acceleració
estàtica o DC. L’acceleració dinàmica permet captar moviments de la persona i
l’acceleració estàtica serveix per calcular la inclinació respecte a terra.
Un acceleròmetre MEMS consisteix en una massa conductora subjectada
elàsticament entre dues bandes, també conductores, immòbil. En la Figura 2.35 es pot
veure un model simplificat a l’esquerra, i a la dreta l’esquema equivalent de les capacitats
, aquestes reaccionen inversament, o sigui que quan una augmenta de valor l’altra
disminueix augmentat la sensibilitat.
Figura 2. 35 Model simplificat i circuit equivalent d’un acceleròmetre MEMS.
Quan el sensor pateix una acceleració cap a l’esquerra, la inercia de la massa blava la
fa mantindre al lloc, i fa que aquesta s’acosti més a la placa dreta, fent que el condensador
de la dreta augmenti la seva capacitat al mateix ritme que decreix la capacitat del
condensador de l’esquerra. Aquesta mesura rep el nom d’acceleració dinàmica o
34
acceleració AC i és la que permet detectar i quantificar moviments. En realitat, amb una
sola banda la capacitat seria massa petita per a poder ser tractada. A la pràctica el que es fa
es repetir aquesta estructura fins obtindre la capacitat necessària com es pot veure a les
Figura 2.33 i 2.36 de Acceleròmetres reals.
Figura 2. 36 Fully Differential Metal MEMS Accelerometer
Quan un sensor d’aquest estil el posem en la direcció del camp gravitatori de la terra,
la barra central es desplaçarà cap a avall, en la proporció mg, on m és la massa de la barra
central i g és la constant gravitatòria (9.8 m/s2 nominal). Aquesta mesura rep el nom
d’acceleració estàtica o acceleració DC i és la que permet mesurar la inclinació respecte la
terra. Aquesta es la funció de inclinòmetre que utilitzen els aparells portàtils per orientar la
pantalla per exemple.
Figura 2. 37 Mesura de l’acceleració estàtica.
L’ inclinòmetre es de la casa INVESENSE, i es tracta com s’ha dit en la introducció
del MPU-6050[20]. Les sigles MPU venen de Motion Processing Unit, ja que en realitat
es tracta d’un acceleròmetre de tres eixos, un giroscopi de tres eixos i una unitat de
processament del moviment digital en un sol encapsulat del tipus QFN de 4 x 4 x 0,9 mm.
La comunicació amb el microcontrolador es realitza per bus I²C[21]. Aquest únic IC dona
tot ell per un o més projectes, però per el preu que tenen avui en dia els ICs d’aquest tipus
valia la pena incorporar-lo en el sistema per l’objectiu a mig termini comentat en la
introducció. De tota la capacitat que ens pot oferir el MPU-6050 [22] de moment només
utilitzarem la de inclinòmetre en un eix per poder determinar si el tren es troba al Lift, i
quan comença a caure. De l’estudi previ sobre l’atracció que hi ha al annex, sabem que el
tren esta uns 25 s pujant el Lift, i que aquest té una inclinació de 26º. Com marca el
diagrama de Flux del firmware, si el tren s’està movent, i està en una inclinació superior a
uns 20º per exemple durant més de 10 s, voldrà dir que el tren està en el Lift, només
haurem d’esperar a que la inclinació caigui i es faci negativa el que voldrà dir que el tren
ha començat a sortir del Lift, moment en el que donarem l’ordre d’engegar els LED.
35
Configurarem el MPU-6050 per que només funcioni l’acceleròmetre X de moment, i
amb el valor de l’acceleració X, programarem un comparador amb un valor mesurat al
laboratori per un angle de 20 º per tindre un marge i assegurar-nos que detectem els 26º
que te el Lift del Dragon.
2.7 Muntatge del prototip. Un cop que ja hem seleccionat i dimensionat tots els elements pel nou sistema, s’ha
de muntar i començar la fase de calibrat i proves.
La primer que es va fet quan el tren estava en parada anual va ser el cablejat amb
cable de 0,75mm2 amb el convertidor DC/DC que va de les JBs als extrems dels laterals
dels vagons. Aquest cablejat és va fer a consciencia i es va comprovar la continuïtat i
l’aïllament del cables abans de tornar a tapar els vagons.
Figura 2. 38 Muntatge del controlador, Acceleròmetre i MOSFET.
2.8 Firmware.
Un cop tenim tots els elements per al sistema dimensionats i calculats es hora de
començar-ho a fer funcionar tot en conjunt. Hem definit el funcionament del controlador
en un diagrama de flux.
En donar tensió al controlador executa la funció de inicialització. Si no te cap tasca
que atendre, es deshabilitaran totes les funcions del controlador que no siguin necessàries i
entra en mode baix consum. En aquest mode el consum es del ordre de 10 µA[28].
Transcorreguts 8 segons , el desbordament del WTDOG Timer generarà una interrupció
que posarà el Arduino de nou en funcionament. Comprovarem si hi ha moviment
despertant també al MPU-6050 que també estarà en mode baix consum. Si no hi ha
moviment tornarem al mode Sleep. Aquesta seqüència es repetirà fins que si que hi hagi
moviment. En aquest moment passarem comprovarem si la tensió de la bateria es correcta i
no es perillosament baixa. Si no és correcta posem a dormir. Si es correcta pregunta
següent i així fins arribar al final del diagrama en que encendrem els llums, i per mitja de
una temporització establerta les apagarem i a dormir un altre cop.
36
2.8.1 Diagrama de flux.
Figura 2. 39 Diagrama de flux detallat del firmware
37
2.8.2 Programació. Per programar i provar el Arduino hem muntat una plataforma de proves per poder simular
la inclinació del Lift, i així poder anar depurant el programa.
Figura 2. 40 Provant i depurant el programa.
2.8.3 Codi /*************************************************************************************** / / Data 27/07/2015 V 0.2 / / DRAGON_LIGHTS.INO Agustí Salvadó Baza / / Control de l'enllumenat temàtic d'uns trens Roller Coaster. Comprova si es necessari / o no encendre una StripLED en funció d'un acceleròmetre que comunica per I2C, una LDR / connectada a AD2, i la tensió de la bateria conectada a AD0. / / Model d'Arduino MEGA2560 / */ #include <I2Cdev.h> // Controlar bus I2C. By Jeff Rowberg <[email protected]> #include <MPU6050.h> // Controlar MPU6050 https://github.com/jrowberg/i2cdevlib #include <avr/power.h> // Gestió de l'energia del Microcontrolador #include <avr/sleep.h> // Gestió modes baix consum #include <avr/wdt.h> // Watchdog del microcontrolador #include <Adafruit_NeoPixel.h>// Driver WS2812 By Adafruit http://www.gnu.org/licenses #if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE #include "Wire.h" // Arduino Wire library is required if I2Cdev I2CDEV_ARDUINO_WIRE #endif // implementation is used in I2Cdev.h
38
#define DEBUGMODE // Depurar el programa #define SERIAL_BAUD 57600 // Velocitat de la comunicació sèrie (DEBUGMODE) /////////////////////// PROTOTIP DE FUNCIONS ///////////////////////////////// void inicialitza(void); void iniGy521(void); void iniStrip(void); boolean vBatOk(void); // Funció que comprova si V_Bat es OK boolean esFosc(void); // Funció que determina si encenem els llums boolean esMou(void); boolean esLift(void); boolean esCaiguda(void); void encenLlums(void); void showLights(uint32_t color); void rainbow(uint8_t wait); void rainbowCycle(uint8_t wait); void theaterChase(uint32_t c, uint8_t wait); void theaterChaseRainbow(uint8_t wait); uint32_t Wheel(byte WheelPos); /////////////////////// DECLARACIÓ DE CONSTANTS ///////////////////////////////// const uint16_t VBAT_OK = 1150; // Valor de tensió per considerar bateria Ok. const uint16_t ES_FOSC = 0700; // Valor de foscor per considerar encendre llums. const uint8_t LED_PIN = 13; // Pin del LED Onboard del Arduino (DEBUGMODE) const uint8_t PWR_LDR_PIN= 0; // Pin per alimentar la LD const uint8_t PWR_MPU_PIN= 8; // Pin per alimentar la MPU-6050 const uint8_t SWCH_PIN = 4; // MOSFET SWITCH Gate PIN const uint8_t DATA_PIN = 12; // Pin de dades per la Strip LED const uint8_t VBAT_PIN = 0; // Pin AD0 per lectura tensió de bateria const uint8_t LDR_PIN = 2; // Pin AD2 per lectura lluminositat LDR const uint8_t MPU6050_ACCEL = 0; // 0 -> +-2g 1 -> +-4g 2 -> +-8g 3 -> +-16g const int16_t TRIGER_ANGLE = -4000; // Triger per comparar amb la lectura de l'accelerometre const uint8_t TRIGER_TIME = 3; // Temps en seg per considerar que estem en el lift const uint8_t SAMPLES_PER_SEC = 5; // Frequencia de mostreig de l'accelerometre const uint16_t PIXEL_COUNT = 9; // Nombre total de Pixels de la Strip LED const uint32_t LIGHTS_TIME = 5000; // Temps de llums engegats en mili segons. /////////////////////// DECLARACIÓ DE OBJECTES ///////////////////////////////// Adafruit_NeoPixel strip = Adafruit_NeoPixel(PIXEL_COUNT, DATA_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800); MPU6050 Gy521; /////////////////////// DECLARACIÓ DE VARIABLES ///////////////////////////////// unsigned long LightsTimer = 0; //Temporització de llums engegades int showType = 0; int16_t ax, ay, az; // Variables per les acceleracions llegides uint8_t Gy521IntStatus; volatile bool Gy521Interrupt = false; // Flag de Interrupcio del MPU-6050 volatile bool flag2Wtd = false; // Flag per comptar dos interrupcions del WTD // ======== INTERRUPT SERVICE ROUTINE ======== /*ISR(WDT_vect) { // Deshabilitem el wdt. flag2Wtd = !flag2Wtd; int_wtd_disable();
39
}*/ void Gy521DataReady() { Gy521Interrupt = true; } // ======== SETUP FUNCTION ======== void setup() { inicialitza(); // Funcio de inicialització del controlador attachInterrupt(0, Gy521DataReady, RISING); // Dirigim ISR de la int externa (Gy521) } // ========= LOOP FUNCTION ======== void loop() { digitalWrite(LED_PIN, true); if (vBatOk()){ if (esFosc()){ if (esMou()) { if(esLift()) { if (esCaiguda()){ encenLlums(); } } } } } if (digitalRead(5)){ //dorm(); } delay(5000); digitalWrite(LED_PIN, false); } // Compara si VBat és major que el valor de referencia boolean vBatOk(void){ return (analogRead(VBAT_PIN) > VBAT_OK); } // Compara si la lluminositat és major que el valor de referència // En aquest cas la tensió puja com més fosc es. boolean esFosc(void){ return (analogRead(LDR_PIN)>ES_FOSC); } boolean esMou(void){ return 1; } boolean esLift(void){ return 1; } boolean esCaiguda(void){ return 1; } void encenLlums(void){ #ifdef DEBUGMODE Serial.println("¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡ ENCEN ELS LLUMS DRAGON !!!!!!!!!!!!!!"); #endif //Gy521.setIntDataReadyEnabled(false); // Deshabilitem les interrupcions del MPU digitalWrite(SWCH_PIN,HIGH); // Strip power ON delay(5); showLights(strip.Color(0,255,255)); // Encenem els llums EN Cyan
40
LightsTimer = millis(); // comencem a comptar while(millis() < (LightsTimer+LIGHTS_TIME)); #ifdef DEBUGMODE Serial.println(" Ok, ja els pots apagar "); #endif showLights(strip.Color(0, 0, 0)); // Apaguem els llums digitalWrite(SWCH_PIN,LOW); // Strip power OFF //Gy521.setIntDataReadyEnabled(true); // Habilitem les interrupcions del MPU } void anticloop(void){ static int16_t AuxComp = 0; // wait for MPU interrupt while (!Gy521Interrupt); #ifdef DEBUGMODE Serial.print(ax); Serial.print("\t"); Serial.print(Gy521.getFullScaleAccelRange(),HEX); Serial.println(" // "); #endif // reset interrupt flag and get INT_STATUS byte Gy521Interrupt = false; #ifdef DEBUGMODE Gy521IntStatus = Gy521.getIntStatus(); Serial.println(Gy521IntStatus); #endif ax = Gy521.getAccelerationX(); if(--AuxComp < 0) AuxComp++; if( ax < (TRIGER_ANGLE/(MPU6050_ACCEL + 1))) { #ifdef DEBUGMODE Serial.println("······"); Serial.println(AuxComp); Serial.println(Gy521IntStatus); Serial.println("······"); #endif AuxComp += 2; if(AuxComp > (TRIGER_TIME * SAMPLES_PER_SEC) ){ Gy521.setIntDataReadyEnabled(false); // Deshabilitem les interrupcions del MPU digitalWrite(SWCH_PIN,HIGH); delay(5); showLights(strip.Color(15, 0, 15)); // Encenem els llums LightsTimer = millis(); // comencem a comptar #ifdef DEBUGMODE Serial.println("#debug#"); #endif while(millis() < (LightsTimer+LIGHTS_TIME)); #ifdef DEBUGMODE Serial.println("@debug@"); #endif digitalWrite(SWCH_PIN,LOW); showLights(strip.Color(0, 0, 0)); // Apaguem els llums Gy521.setIntDataReadyEnabled(true); // Habilitem les interrupcions del MPU } } } void inicialitza(){ // Configurem els pins de entrada sortida. pinMode(SWCH_PIN,OUTPUT); // Pin de control del MOSFET com a sortida.
41
digitalWrite(SWCH_PIN,LOW); // Asegurem que està apagat. pinMode(PWR_LDR_PIN, OUTPUT); // Pin per alimentar la LDR com a sortida. digitalWrite(PWR_LDR_PIN,LOW); // Asegurem que està apagat. pinMode(PWR_MPU_PIN, OUTPUT); // Pin per alimentar la MPU-6050 com a sortida. digitalWrite(PWR_MPU_PIN, LOW); // Asegurem que està apagat. pinMode(LED_PIN, OUTPUT); // Led onboard del Arduino // Inicialitzem el bus I2C #if I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_ARDUINO_WIRE Wire.begin(); #elif I2CDEV_IMPLEMENTATION == I2CDEV_BUILTIN_FASTWIRE Fastwire::setup(400, true); #endif // Inicialitzem l'Strip LED. iniStrip(); // Inicialitzem l'acceleròmetre. iniGy521(); #ifdef DEBUGMODE Serial.begin(SERIAL_BAUD); //initialize serial communication delay(1); Serial.println("Initializing I2C devices...\n"); // initialize device Serial.println("Testing device connections...\n"); // verify connection Serial.println(Gy521.testConnection()?"MPU6050 connection OK\n":"MPU6050 connection failed\n"); #endif } // Encen la Strip completa en el color indicat. void showLights(uint32_t c) { for(uint16_t i=0; i<strip.numPixels(); i++) { // Escriu en memòria strip.setPixelColor(i, c); } strip.show(); // Volca als LEDs } void iniStrip(void){ // Inicialitzem la Strip LED // Parameter 3 = pixel type flags, add together as needed: // NEO_RGB Pixels are wired for RGB bitstream // NEO_GRB Pixels are wired for GRB bitstream // NEO_KHZ400 400 KHz bitstream // NEO_KHZ800 800 KHz bitstream //strip = Adafruit_NeoPixel(PIXEL_COUNT, DATA_PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800); strip.begin(); // strip.show(); // Inicialitzem tots els pixels a 'off' } void iniGy521(void){ Gy521.reset(); // Necessari per inicialitazar delay(100); Gy521.initialize(); // Gy521.setWakeFrequency(MPU6050_WAKE_FREQ_1P25); // Mostreig del Accelerometre 1,25Hz // Gy521.setWakeFrequency(MPU6050_WAKE_FREQ_2P5); // Mostreig del Accelerometre 5Hz // Gy521.setWakeFrequency(MPU6050_WAKE_FREQ_5); // Mostreig del Accelerometre 20Hz
42
Gy521.setWakeFrequency(MPU6050_WAKE_FREQ_10); // Mostreig del Accelerometre 40Hz Gy521.setStandbyYAccelEnabled(true); // Deshabilitem tots els elements Gy521.setStandbyZAccelEnabled(true); // del MPU-6050 que no utilitzem Gy521.setStandbyXGyroEnabled(true); Gy521.setStandbyYGyroEnabled(true); Gy521.setStandbyZGyroEnabled(true); Gy521.setFullScaleAccelRange(MPU6050_ACCEL); // Escala +-2g,+-4g, +-8g, +-16g #ifdef DEBUGMODE Serial.print("FullScaleAccelRange = "); Serial.print(Gy521.getFullScaleAccelRange(),HEX); Serial.print("g // "); #endif Gy521.setSleepEnabled(false); Gy521.setWakeCycleEnabled(false); Gy521.setIntDataReadyEnabled(false); } // Posa a "dormir" el microcontrolador del Arduino void dorm(){ int_wtd_enable();// Habilitem el watchdog, que és qui ha de despertar al micro. // Sleep mode control register // SMCR: – – – – SM2 SM1 SM0 SE // SM2 // SM1 // SM0 // Sleep mode // 0 0 0 Idle // 0 0 1 ADC noise reduction // 0 1 0 Power-down // 0 1 1 Power-save // 1 0 0 Reserved // 1 0 1 Reserved // 1 1 0 Standby // 1 1 1 Reserved // // SLEEP_MODE_IDLE < SLEEP_MODE_ADC < SLEEP_MODE_PWR_SAVE < SLEEP_MODE_STANDBY < SLEEP_MODE_PWR_DOWN // Establim mode sleep. set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN); // Desconexió de perifèrics. // En els modess IDLE i ADC s'ha de deshabilitar el comparador analògic. ACSR |= 1<<ACD; // Aturem el convertidor ADC. power_adc_disable(); // També tota la resta de perifèrics del micro. power_spi_disable(); power_timer0_disable(); power_timer1_disable(); power_timer2_disable(); power_twi_disable(); power_usart0_disable(); // Permetem dormir. sleep_enable(); // Dorm ja. sleep_cpu();
43
// Despres de la ISR, el programa continua aqui. sleep_disable(); // Habilitem tot. power_all_enable(); } void int_wtd_enable(){ // MCUSR: – – – – WDRF BORF EXTRF PORF // Flag que indica el reset del watchdog.S'ha de borrar per poder borrar WDTCSR:WDE // ja que sobreescriu a aquest últim quan està habilitat. // WDTCSR: WDIF WDIE WDP3 WDCE WDE WDP2 WDP1 WDP0 // // 0 0 0 0 2K 16ms | 2048 16ms // 0 0 0 1 4K 32ms | 4096 32ms // 0 0 1 0 8K 64ms | 8192 64ms // 0 0 1 1 16K 0.125s | 16384 128ms // 0 1 0 0 32K 0.25s | 32768 256ms // 0 1 0 1 64K 0.5s | 65536 512ms // 0 1 1 0 128K 1.0s | 131072 1024ms // 0 1 1 1 256K 2.0s | 262144 2048ms // 1 0 0 0 512K 4.0s | 524288 4096ms // 1 0 0 1 1024K 8.0s | 1048576 8192ms // WDP3 Number of Typical time-out at // WDP2 WDT oscillator cycles VCC = 5.0V // WDP1 // WDP0 // Deshabilitem interrupcions. cli(); // SREG &= B01111111; // Reset del watchdog. wdt_reset(); // Reset del flag de reset del watchdog (per poder deshabilitar WDTCSR:WDE). MCUSR &= ~(1<<WDRF); // Habilitem el canvi de configuració i reset del watchdog. Abans de 4 cicles. WDTCSR |= (1<<WDCE) | (1<<WDE); // Establim la nova configuració del watchdog a 8s. WDTCSR = ((1<<WDP3) | (0<<WDP2) | (0<<WDP1) | (1<<WDP0) | (1<<WDIE)) & ~(1<<WDE); // Rehabilitem les interrupcions. sei(); // SREG |= B10000000; } void int_wtd_disable() { // Deshabilitem les interrupcions. cli(); // SREG &= B01111111; // Reset del watchdog. wdt_reset(); // Reset del flag de reset del watchdog (per poder deshabilitar WDTCSR:WDE). MCUSR &= ~(1<<WDRF); // Habilitem el canvi de configuració i reset del watchdog. Abans de 4 cicles. WDTCSR |= (1<<WDCE) | (1<<WDE); // Deshabilitem el watchdog. WDTCSR = B00000000; // Rehabilitem les interrupcions. sei();dž // SREG |= B10000000;
45
Actualització de l’Enllumenat Temàtic d’una Atracció Roller Coaster
3 MEMÒRIA DE CÀLCUL
TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial en Electrònica Industrial
AUTOR: Agustí Salvadó Baza.
DIRECTOR: Roberto Giral Castillón.
DATA: Setembre / 2015.
46
3.0 Índex de la memoria de càlcul. 3 MEMÒRIA DE CÀLCUL. ............................................................................. 47
3.1 Intensitat màxima en el cablejat. .............................................................. 47
3.1.1 Intensitat total a 5 V. ............................................................................ 47
3.1.2 Intensitat total a 12 V. .......................................................................... 47
3.2 Seccions del cablejat. .............................................................................. 47
3.2.1 Càlcul de la secció mínima per a 5 V. ................................................. 47
3.2.2 Càlcul de la secció mínima per a 12 V. ............................................... 49
3.2.3 Càlcul de la secció mínima de les ramificacions a 12 V. ...................... 49
3.3 Interruptor. .............................................................................................. 50
3.3.1 MOSFET Q1 ....................................................................................... 50
3.3.2 Càlcul del dissipador per al MOSFET Q1. .......................................... 51
3.3.3 MOSFET Q2 ....................................................................................... 51
3.3.4 Circuit Driver MOSFET. ..................................................................... 52
3.4 Senyals Analògiques. .............................................................................. 52
3.4.1 Conversió AD ...................................................................................... 52
3.4.2 Detecció de la llum ambient. ................................................................ 53
3.5 Autonomia de la bateria. .......................................................................... 54
47
3 MEMÒRIA DE CÀLCUL.
3.1 Intensitat màxima en el cablejat. El primer càlcul que necessitem és la intensitat màxima que tindrem per el cablejat
per així poder calcular la secció necessària del cablejat nou a muntar, com per comprovar
si ens serveix el que ja està muntat .
3.1.1 Intensitat total a 5 V. De la fulla de característiques del fabricant obtenim que el tipus de LED Strip
escollit te un consum màxim de 1,8 A a 5 V per metre. En cada tren s’han de muntar un
total de 2 m de Strip LED per vagó. El que ens dona un total 14 m i per tant el consum
màxim del sistema serà de 25,2 A.
3.1.2 Intensitat total a 12 V. Aquesta intensitat és la intensitat màxima que absorbirien els LEDs, treballant a 5 V.
Com la nostra bateria és de 12 V, muntarem un convertidor DC/DC per adaptar les
tensions. Així que hem de convertir aquests ampers en el circuit secundari a ampers en el
circuit primari tenint en compte l’eficiència de la conversió.
- Si igualem les energies d’entrada i sortida en un convertidor ideal tenim:
𝑊𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 𝑊𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎
- Dividint per temps i aplicant la definició de rendiment tenim:
𝜂 =𝑃𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑑𝑎
𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
- Aplicant el rendiment més desfavorable que trobem al datasheet del fabricant,
89%, i donant valors a (2) tenim:
89% = 5 𝑉 · 25,2 𝐴
12 𝑉 · 𝐼𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 → 𝐼𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 = 11,8 𝐴
3.2 Seccions del cablejat. Un cop tenim el corrent màxim, calcularem la secció de coure mínima que
necessitem. Primer per el cablejat de interconnexió entre vagons que ja està muntat i s’ha
d’aprofitar. Després el tram de cablejat que va de la caixa de connexions de cada vagó fins
al convertidor DC/DC de cada costat del vagó.
3.2.1 Càlcul de la secció mínima per a 5 V. El tren te un total de 7 trams de cable de 2 m que s’uneixen amb connectors
- Caiguda de tensió màxima admissible: 3%
(1)
(2)
48
3% 5 V = 0,150 V
- Amb la caiguda de tensió màxima i el corrent màxim, apliquem la llei de Ohm
podem saber la resistència màxima que pot tenir el cable.
𝑅 =∆𝑉
𝐼
R = Resistència màxima del cable en ohms.
∆V = Caiguda de tensió màxima admissible en volts.
I = Intensitat màxima en el cable en ampers.
- La resistència d’un conductor és pot calcular :
𝑅 = 𝜌𝑙
𝐴
R = Resistència del conductor en ohms.
ρ = Resistivitat del material en ohms·m, Cu = 1,71 x 10-8 Ωm
l = Longitud del conductor en metres.
A = Area del conductor en m2.
- Igualant (3) i (4) i tenint en compte que la longitud total del conductor s’ha de
multiplicar per dos ( l’anada i la tornada ) podem aïllar l’àrea del cable :
𝐴 = 𝜌2𝐼𝑙
∆V
- Donant valors a (5) obtenim:
𝐴 = 1,71 · 10−8 ·2 · 25,2 · 2
0,15= 1,149 · 10−5 m2 = 11,49 mm2
Aquesta secció no compleix el requisit expressat de conservar el cablejat de
l’atracció ja muntat.
(3)
(4)
(5)
49
3.2.2 Càlcul de la secció mínima per a 12 V. Repetim els càlculs per una distribució a 12 V, i comprovarem si podem aprofitar la
secció que és un requisit per al nou sistema :
- Caiguda de tensió màxima admissible: 3%
3% 12 V = 0,360 V
- Donant valors a (5) per a 12 V, obtenim:
𝐴 = 1,71 · 10−8 ·2 · 11,8 · 2
0,36 = 2,35 · 10−6 m2 = 2,35 mm2
- El primer tram compleix ja que la secció muntada és de 10 mm2
- A la Taula 3.1 tenim els càlculs per cada tram, i podem comprovar que amb
12V és compleix amb una caiguda de tensió inferior al 3%.
TENSIÓ V INTENSITAT A LONGITUD m Area min ( mm2) ∆V 10 mm2
12,00 11,80 2,00 5,38 11,92
11,92 10,11 2,00 4,61 11,85
11,85 8,43 2,00 3,84 11,79
11,79 6,74 2,00 3,07 11,75
11,75 5,06 2,00 2,31 11,71
11,71 3,37 2,00 1,54 11,69
11,69 1,69 2,00 0,77 11,68
Taula 3.1 Calcul de les caigudes te tensió per a cada tram a 12 V i 10 mm2
3.2.3 Càlcul de la secció mínima de les ramificacions a 12 V.
- Donant valors a (5) per a 12 V, i tenint en compte que aquestes ramificacions
fan 1,5 m de llarg, i conduiran com a màxim 1,8 A, obtenim:
𝐴 = 1,71 · 10−8 ·1,5 · 1,8 · 2
0,36 = 2,56 · 10−7 m2 = 0,26 mm2
Aquest tram de cablejat doncs es muntarà amb cable de 0,75 mm2
per motius de
durabilitat i resistència mecànica, i de pas millorem elèctricament.
50
3.3 Interruptor.
3.3.1 MOSFET Q1
El MOSFET Q1 escollit és el IRF4905. Primer ens assegurem que el MOSFET
entrarà en saturació amb les tensions que treballem. Com es pot veure en la gràfica a 175ºC
la tensió –VDS es dobla, i amb ella la dissipació de potència en el MOSFET, per això es
important muntar el dissipador adequat.
Figura 3.1 Taula ID en funció de –VDS i VGS
- Càlcul de la potencia dissipada en el MOSFET.
𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 = 𝐼𝑚𝑎𝑥2 · 𝑅𝐷𝑆 (𝑂𝑁)
𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 = 11,82 · 0,02 = 2,785 𝑊
𝑇𝐽 = 𝑇𝑎𝑚𝑏 + 𝑅𝜃𝐽𝐴
· 𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠
- Calculem la temperatura màxima sense dissipador, considerant una temperatura
ambient màxima de 50 °𝐶:
𝑇 = 50 + 62 ·2,785 = 222,67 °𝐶
Aquesta temperatura sobrepassa el límit de 175 °𝐶 de temperatura màxima de la unió del
MOSFET, i per tant hem de muntar-lo amb un dissipador. Tindrem en compte que el
Drain està connectat elèctricament al encapsulat , i per tant haurà d’anar aïllat. Per tal de
poder fer treballar el MOSFET en millors condicions, considerarem una temperatura
ambient de 50 ºC, i per donar encara més marge de seguretat considerarem una temperatura
de la unió màxima de 125 ºC, arrodonirem la dissipació de potència a 3W, i considerarem
una resistència termica de la unió encapsulat-dissipador amb grassa tèrmica de 1 ºC/W en
comptes de 0,5.
(6)
51
3.3.2 Càlcul del dissipador per al MOSFET Q1.
- Càlcul de la resistència tèrmica màxima del dissipador a ambient 𝑅 𝜃𝑆𝑎𝑚𝑏 :
𝑅 𝜃𝑆𝑎𝑚𝑏 =TJ − 𝑇𝑎𝑚𝑏
𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠− (𝑅 𝜃𝐽𝐶 + 𝑅 𝜃𝐶𝑆)
𝑅 𝜃𝑆𝑎𝑚𝑏 = Resistència tèrmica màxima del dissipador a ambient
TJ = Temperatura màxima de la unió.
𝑇𝑎𝑚𝑏 = Temperatura ambient màxima.
𝑃𝑙𝑜𝑠𝑠 = Potencia dissipada en el transistor.
𝑅 𝜃𝐽𝐶 = Resistència tèrmica unió – encapsulat.
𝑅 𝜃𝐶𝑆 = Resistència tèrmica encapsulat – dissipador ( greassed).
- Donant valors que obtenim del Datasheet [11]del MOSFET.
𝑅 𝜃𝑆𝑎𝑚𝑏 =125−50
3− (0,75 + 1) = 23,25 °𝐶/𝑊
3.3.3 MOSFET Q2
El MOSFET Q2 escollit és un IRFZ44. No necessitem fer cap càlcul ja que està
sobre dimensionat en quant a la potencia que controlarà. El que si ens hem d’assegurar és
que el podrem governar directament amb una sortida del Arduino. Com veiem en la Figura
3.2, el MOSFET Q2 amb els 5 V del port de sortida, absorbirà tranquil·lament els mili
ampers per governar a Q1.
Figura 3.2 Taula ID en funció de –VDS i VGS
52
3.3.4 Circuit Driver MOSFET.
Figura 3.3
El circuit driver ja està quasi calculat doncs els MOSFETS estan seleccionats. Al
tractar-se d’un circuit estàtic totalment, doncs el TON serà del ordre dels 60 segons, i el
TOFF de 120 segons, no hem de buscar pèrdues en la commutació . L’únic que hem de fer
és donar un valor a és la resistència PULL-UP que ens asseguri l’obertura prou ràpida de
Q1 quant Q2 s’obre, mantenint un consum baix quan Q2 està tancat. Un valor entre 1K i
10 K [23] i per tant una resistència de 10 K amb el que tindrem una intensitat de 1,2 mA
que són 1,44 mW a 12 V.
3.4 Senyals Analògiques. El sistema haurà de realitzar la lectura de dos senyals analògiques. Tensió de la
bateria i lluminositat de al LDR.
3.4.1 Conversió AD El convertidor AD del Arduino és de 10 bit unipolar, i amb una tensió de referència
de 5 V . I torna un valor compres entre 0x0000 i 0x03FF. L’equació de la conversió ADC
es la següent:
𝐴𝐷𝐶 =VIN · 1024
𝑉𝑅𝐸𝐹
R
Q1
Q2
(8)
53
- D’aquesta expressió podem aïllar VIN per obtenir el valor que busquem:
VIN =ADC · VREF
1024
Muntarem un divisor resistiu format per dues resistències i un potenciòmetre en el
punt mig per poder calibrar-lo al laboratori.
Figura 3.4 Divisor resistiu.
- De l’estudi del circuit es pot deduir aplicant la llei de Ohm:
𝑉𝑜𝑢𝑡 =R2
R1+R2· Vin
- Donant valors a 𝑉𝑜𝑢𝑡 i Vin tenim i aïllant R1 :
𝑅1 = 2𝑅2
- Fem 𝑅1 = 30 K i 𝑅2 = 15 K , però com les resistències que utilitzem tenen una
tolerància de 5%, posarem un potenciòmetre de 10 K en el punt mig per poder
calibrar les toleràncies, i farem 𝑅1 = 27 K i 𝑅2 = 10 K que són els valors E12
normalitzats més propers.
3.4.2 Detecció de la llum ambient. Per la detecció de la llum ambient hem muntat un divisor resistiu amb LDR.
Aquest divisor l’hem muntat una mica empíricament amb prova i error. La LDR utilitzada
ens dona uns valors incidint directament la llum del sol de uns 45 Ω, i > 100 MΩ en foscor
absoluta.
(7)
54
Figura 3.5 Circuit de la detecció de lluminositat.
Empíricament hem determinat que era un bon moment d’encendre els llums a
partir de que teníem una resistència de 1 MΩ. Així hem muntat una resistència de 1 MΩ en
sèrie amb la LDR. La resistència de 1 KΩ limita el corrent de sortida per si la LDR està
fortament il·luminada.
3.5 Autonomia de la bateria. Calcul de l’autonomia de la bateria contant el màxim consum, el màxim del temps.
- Capacitat de la bateria 38 Ah.
- Consum màxim que podem tenir de la bateria és de 11,8 A
- Temps màxim diari de funcionament 5 h.
- Duty Cycle màxim de funcionament de llums per cicle: 31 %
Temps màxim funcionament diari = 31% 5 h = 1,55 h
Ah màxims al dia = 11,8 A · 1,55 h = 18,29 Ah
55
Actualització de l’Enllumenat Temàtic d’una Atracció Roller Coaster
4 PLÀNOLS
TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial en Electrònica Industrial
AUTOR: Agustí Salvadó Baza.
DIRECTOR: Roberto Giral Castillón.
DATA: Setembre / 2015.
56
4 PLÀNOLS
4.0 INDEX DE PLÀNOLS
4.1 Plànol MCC0 Arduino MEGA2560
4.2 Plànol Destribució Potència
4.3 Plànol Adresses Pixels
A
B
C
D
A
B
C
D
2 145 3
2 145 3
Client
Nom
Data
Pagina 1 de 3
Nom del
Rev
Projecte
DibuixatComprovat
Ver
Universitat Rovira i Virgili
Escala
Roberto Giral Castillón
Signat
document
GAEIGrup d'Automàtica
i Electrònica Industrial
0Agustí Salvadó Baza
20 / 07 / 20151
Actualització de l'Enllumenat Temàtic d'una Atracció Roller CoasterMCC0 ARDUINO MEGA2560
R210k
R127k
RV1
10k
BAT112V
38Ah
FU1
15A
Q1IRF4905
Q2IRFZ44ZL
R310k
R41K
R51M
LDR1
PB0/ICP1/CLKO/PCINT014
PB1/OC1A/PCINT115
PB3/MOSI/OC2A/PCINT317
PB2/SS/OC1B/PCINT216
PD6/AIN0/OC0A/PCINT2212
PD5/T1/OC0B/PCINT2111
PD4/T0/XCK/PCINT206
PD3/INT1/OC2B/PCINT195
PD2/INT0/PCINT184
PD1/TXD/PCINT173
PD0/RXD/PCINT162
PB4/MISO/PCINT418
PB5/SCK/PCINT519
PB7/TOSC2/XTAL2/PCINT710
PB6/TOSC1/XTAL1/PCINT69
PC6/RESET/PCINT141
PC5/ADC5/SCL/PCINT1328
PC4/ADC4/SDA/PCINT1227
PC3/ADC3/PCINT1126
PC2/ADC2/PCINT1025
PC1/ADC1/PCINT924
PC0/ADC0/PCINT823
AVCC20
AREF21
PD7/AIN1/PCINT2313
ATMEGA2560
IO7
IO6
IO5
IO4
IO3
IO2
IO1
IO0 IO8
IO9
IO10
IO11
IO12 (2/1C)
IO13
AD0
AD1
AD2
AD3
AD4
AD5
RESET
AREF
+5
V
SS
MOSI
MISO
SCK
+5V
LED & Reset
RXD
TXDIO10
IO11
IO12
IO13
IO13
IO0
IO1
AD0
AD1
AD2
AD3
AD4
AD5
IO14
IO15
IO16
IO17
IO18
IO19
RESET
Arduino MEGA2560
AD5
AD4
GY - 521MPU-6050
VCC
GND
SCL
SDA
AD0
INT
U3
GY-521
IO2
+5V
IO0
AD2
AD0
IO4
+12V 2/1C
+12V
FU2
500mA
P0
BATTERY MONITOR LIGHT SENSOR
SWITCH
MOTION SENSOR
CONTROLLER
VI3
VO1
GN
D2
U1OKI-78SR
IO8
NAME=LED-YELLOW
D1
LED
S1
PUSH_BUTTON_OWN
A
B
C
D
A
B
C
D
2 145 3
2 145 3
Client
Nom
Data
Pagina 2 de 3
Nom del
Rev
Projecte
DibuixatComprovat
Ver
Universitat Rovira i Virgili
Escala
Roberto Giral Castillón
Signat
document
GAEIGrup d'Automàtica
i Electrònica Industrial
0Agustí Salvadó Baza
20 / 07 / 20151
Actualització de l'Enllumenat Temàtic d'una Atracció Roller CoasterPOWER DISTRIBUTION
JB1
CAR 1
X1
CAR 2CAR 3CAR 4CAR 5CAR 6CAR 7
PILOT
CAR
DIRECTION OFF TRAVEL
P2 P1
MCC0
X2
FU12A
3
1
2U1OKI-78SR
13
STR1LED STRIP
+12V 1/3D
1 3
STR2LED STRIP
3
1
2
U2 78SR
FU22A
JB2
P3
FU32A
3
1
2U3OKI-78SR
13
STR3LED STRIP
1 3
STR4LED STRIP
3
1
2
U4 78SR
FU42A
JB3
P4
FU52A
3
1
2U5OKI-78SR
13
STR5LED STRIP
1 3
STR6LED STRIP
3
1
2
U6 78SR
FU62A
JB4
P5
FU72A
3
1
2U7OKI-78SR
13
STR7LED STRIP
1 3
STR8LED STRIP
3
1
2
U8 78SR
FU82A
JB5
P6
FU92A
3
1
2U9OKI-78SR
13
STR9LED STRIP
1 3
STR10LED STRIP
3
1
2
U10 78SR
FU102A
JB1
P7
FU112A
3
1
2U11OKI-78SR
13
STR11LED STRIP
1 3
STR12LED STRIP
3
1
2
U12 78SR
FU122A
JB1
FU132A
3
1
2U13OKI-78SR
13
STR13LED STRIP
1 3
STR14LED STRIP
3
1
2
U14 78SR
FU142A
A
B
C
D
A
B
C
D
2 145 3
2 145 3
Client
NomData
Pagina 3 de 3
Nom del
Rev
Projecte
DibuixatComprovat
Ver
Universitat Rovira i Virgili
Escala
Roberto Giral Castillón
Signat
document
GAEIGrup d'Automàtica
i Electrònica Industrial
0Agustí Salvadó Baza
20 / 07 / 2015
Actualització de l'Enllumenat Temàtic d'una Atracció Roller Coaster
1
PIXEL ADDRESS
DODI
P031
JB1
CAR 1
MCC0
DODI
P060
DODI
P001
DODI
P030
X13X12X11
IO12 1/1D
DODI
P091
JB2
CAR 2
DODI
P120
DODI
P061
DODI
P090
X13X12X11
DODI
P151
JB3
CAR 3
DODI
P180
DODI
P121
DODI
P150
X13X12X11
DODI
P211
JB4
CAR 4
DODI
P240
DODI
P181
DODI
P210
X13X12X11
DODI
P271
JB5
CAR 5
DODI
P300
DODI
P241
DODI
P270
X13X12X11
DODI
P331
JB6
CAR 6
DODI
P360
DODI
P301
DODI
P330
X13X12X11
DODI
P391
JB7
CAR 7
DODI
P420
DODI
P361
DODI
P390
X13X12 X11X13X11X13X11X13X11X13X11X13 X13X12X11X13X12X11X13X12X11X13X12X11X13X12X11X13X12
PILOT
CAR
DIRECTION OFF TRAVEL
P2
2
X11X13X13
P3
2
X11X13 X11X13 X11X13 X11X13X13
P4
2
X11X13 X11X13 X11X13 X11X13X13
P5
2
X11X13 X11X13 X11X13 X11X13X13
P6
2
X11X13 X11X13 X11X13 X11X13X13
P7
2
X13X12X11
P1
2
57
Actualització de l’Enllumenat Temàtic d’una Atracció Roller Coaster
5 CONCLUSIONS
TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial en Electrònica Industrial
AUTOR: Agustí Salvadó Baza.
DIRECTOR: Roberto Giral Castillón.
DATA: Setembre / 2015.
58
5 CONCLUSIONS
Al dia de redactar aquesta memòria, les coses no han anat com esperava. Els retards
que sembla que són una condició intrínseca als projectes, han fet arribar l’estiu, i amb ell
el Parc entra en temporada alta, el que implica que els trens sempre estan o funcionant o
en revisió, i hem tingut molt poques hores i sempre intempestives per fer les feines.
La qüestió es que han sorgit els problemes on no semblava que podia sorgir. El
software que és bastant senzill i s’ha depurat en terra ha funcionat bé a la primera, però en
el primers llançament amb el prototip muntat, els LEDs han deixat de funcionar a mig
tragecte. Un cop a baix s’ha comprovat que hi havia tensió, que el controlador estava
donant un senyal bo, però els LEDs havien mort. A partir d’aquí primer pànic i sensació de
fracàs total, però després arriba la necessitat de saber que ha passat, en que he fallat i que
és el que no he tingut en compte.
En aquest moment ja he comprat una cinta de LED més, i està en camí, i nomes
tenim 27 LEDs que funcionen, ja que el mateix dia de la prova, és va muntar un LED sol
en un lateral, i un dins de la caixa del controlador, i es va veure com tornava a passar el
mateix: en sortir de lift el LED s’encenia però en arribar a l’estació aquest ja no
funcionava, en canvi el LED de dins de la caixa segueix funcionant.
A partir d’aquí hi ha dos hipòtesis que crec que son les més probables.
1 Es la que crec menys probable, però podria ser la Destrucció per els xocs i
vibracions: Com els LEDs estan muntats en els laterals dels vagons que són uns punts
allunyats del centre i allí les vibracions són més fortes, i potser aquests xips no són prou
robustos, tot i que en la documentació no ho posa, i de fet
2 Descàrregues electrostàtiques. Un fet comú en les atraccions és que acumulin
molta càrrega estàtica donat que normalment estan aïllades de les masses metàl·liques de la
estructura per les rodes de plàstic. També porten grans carenats de fibra de vidre, que és
on s’acumula la càrrega.
La pròxima prova que es farà es muntar un LED ben apantallat a massa, i un altre
muntat en un suport elàstic per veure si es pot discriminar per on van els trets, ja que el
Show ha de continuar, i els Llums del Dragon han de funcionar si o si.
Així quest projecte m’ha servit sobretot per veure les coses d’una altra manera en la
feina, ja que després de uns quants anys en el mon laboral en diverses empreses i els deu
últims ja en PortAventura , m’ha tocat estar en muntatges i postes en marxa d’uns quants
projectes. He vist com moltes coses es torçaven en l’últim moment, com tot arriba sempre
tard, com venia material equivocat per el muntatge, i clar de la posició del tècnic tot és veu
molt clar i fàcil, i ràpidament ens posem a criticar com pot ser que s’equivoquin d’aquesta
manera. Així he pogut veure les coses de l’altre costat, o sigui del costat de qui ha de
desenvolupar de zero un sistema, que ha de estar pendent de si els elements arriben, de
coordinar una feina que no depèn només de un mateix. Aquest crec que és el benefici més
gran que he obtingut desenvolupant aquest projecte, veure les coses de un altre punt de
vista i amb més humilitat.
També quest projecte m’ha servit per posar-me una mica al dia de la revolució del
open software i l’open hardware i per descobrir Arduino
59
Actualització de l’Enllumenat Temàtic d’una Atracció Roller Coaster
6 PRESSUPOST
TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial en Electrònica Industrial
AUTOR: Agustí Salvadó Baza.
DIRECTOR: Roberto Giral Castillón.
DATA: Setembre / 2015.
60
6.0 Índex del pressupost. 6 PRESSUPOST. .............................................................................................. 60
6.1 Amidaments. ........................................................................................... 60
6.1.1 Capítol 1. Prototip. .............................................................................. 60
6.2 Preu unitari. ............................................................................................. 61
6.2.1 Capítol 1. Prototip. ............................................................................... 61
6.3 Aplicació de preus. .................................................................................. 62
6.3.1 Capítol 1. Prototip. ............................................................................... 62
6.4 Resum pressupost. ................................................................................... 63
6.4.1 Pressupost d’execució material. ........................................................... 63
6.4.2 Pressupost d’execució per contracte. .................................................... 63
6.4.3 Pressupost global. ................................................................................ 64
6 PRESSUPOST.
6.1 Amidaments.
6.1.1 Capítol 1. Prototip.
CATEGORIA QUANTITAT REFERÈNCIA DESCRIPCIÓ
C1-001 1 R1 27k 5%
C1-002 3 R2-R3,R6 10k 5%
C1-003 1 R4 1K 5%
C1-004 1 R5 1M 5%
C1-005 3 R7-R9 1k 5%
C1-006 1 U2 Arduino MEGA2560
C1-007 1 Board Arduino Prototype Shyeld
C1-008 6 U1, U3 a U7 OKI-78SR
C1-009 1 U3 GY-521
C1-010 1 Q1 IRF4905
61
C1-011 1 Q2 IRFZ44ZL
C1-012 1 BAT1 12V 38Ah
C1-013 1 FU1 15A Fuse
C1-014 1 FU2 500mA Fuse
C1-015 1 LDR1 LDR size3
C1-016 1 RV1 Pot multi 10k
C1-017 5 FU3-FU14 2A Fuse
C1-018 5 STR1-STR5 LED STRIP
C1-019 1 Alu 287-1AB Heatsink
C1-020 15 Wire Cable Cu 0,75 mm2
C1-021 1 --- Petit material electric
6.2 Preu unitari.
6.2.1 Capítol 1. Prototip.
CODI REFERÈNCIA COST UNITARI
C1-001 R1 0,10 €
C1-002 R2-R3,R6 0,10 €
C1-003 R4 0,10 €
C1-004 R5 0,10 €
C1-005 R7-R9 0,10 €
C1-006 U2 45,00 €
C1-007 board 3,00 €
C1-008 U1, U3 a U7 4,20 €
C1-009 U3 9,50 €
C1-010 Q1 0,55 €
62
C1-011 Q2 0,47 €
C1-012 BAT1 137,00 €
C1-013 FU1 1,00 €
C1-014 FU2 0,50 €
C1-015 LDR1 0,66 €
C1-016 RV1 1,60 €
C1-017 FU3-FU14 0,78 €
C1-018 STR1-STR5 13,00 €
C1-019 ALU 1,30 €
C1-020 Wire 0,75 €
C1-021 30,00 €
6.3 Aplicació de preus.
6.3.1 Capítol 1. Prototip.
CODI QUANTITAT REFERÈNCIA DESCRIPCIÓ COST
UNITARI
COST
TOTAL
C1-001 1 R1 27k 5% 0,10 € 0,10 €
C1-002 3 R2-R3,R6 10k 5% 0,10 € 0,30 €
C1-003 1 R4 1K 5% 0,10 € 0,10 €
C1-004 1 R5 1M 5% 0,10 € 0,10 €
C1-005 3 R7-R9 1k 5% 0,10 € 0,30 €
C1-006 1 U2 Arduino MEGA2560 45,00 € 45,00 €
C1-007 1 board Arduino Prototype Shyeld 3,00 € 3,00 €
C1-008 6 U1, U3 a U7 OKI-78SR 4,20 € 25,20 €
C1-009 1 U3 GY-521 9,50 € 9,50 €
63
C1-010 1 Q1 IRF4905 0,55 € 0,55 €
C1-011 1 Q2 IRFZ44ZL 0,47 € 0,47 €
C1-012 1 BAT1 12V 38Ah 137,00 € 137,00 €
C1-013 1 FU1 15A Fuse 1,00 € 1,00 €
C1-014 1 FU2 500mA Fuse 0,50 € 0,50 €
C1-015 1 LDR1 LDR size3 0,66 € 0,66 €
C1-016 1 RV1 Pot multi 10k 1,60 € 1,60 €
C1-017 5 FU3-FU14 2A Fuse 0,78 € 3,90 €
C1-018 5 STR1-STR5 LED STRIP 13,00 € 65,00 €
C1-019 1 ALU 287-1AB Heatsink 1,30 € 1,30 €
C1-020 15 Wire Cable Cu 0,75 mm2 0,75 € 11,25 €
C1-021 1 Petit material electric 30,00 € 30,00 €
6.4 Resum pressupost.
6.4.1 Pressupost d’execució material.
Capítol 1. Prototip........................................................................................... 336,83 €
Total execució material................................................................................. 336,83 €
El pressupost d’execució material puja a TRES-CENTS TRENTA-SIS EUROS AMB VUITANTA-TRES
6.4.2 Pressupost d’execució per contracte.
Pressupost d’execució material........................................................................ 336,83 €
Costos generals de l’empresa 12 %....................................................................40,42 €
Benefici Industrial 8 % ......................................................................................26,95 €
Total execució per contracte...........................................................................404,20 €
64
6.4.3 Pressupost global.
Pressupost d’execució per contracte................................................................ 404,20€
IVA 21 %......................................................................................................... 84,88 €
Total pressupost global................................................................................ 489,08 €
El pressupost global puja a QUATRE-CENTS VUITANTA-NOU EUROS AMB VUIT CENTIMS
65
Actualització de l’Enllumenat Temàtic d’una Atracció Roller Coaster
7 ANNEXES
TITULACIÓ: Enginyeria Tècnica Industrial en Electrònica Industrial
AUTOR: Agustí Salvadó Baza.
DIRECTOR: Roberto Giral Castillón.
DATA: Setembre / 2015.
66
7.1 Breu descripció de l’atracció Dragon Khan. Atracció tipus: muntanya russa "roller coaster"
Any de construcció: 1994
Fabricant: Bolliger & Mabillard , Suïssa
Longitud del trajecte: 1.285 m.
Inclinació del Lift: 26º.
Desnivell : 49.25 m.
Velocitat màxima: 100 km/h
Temps de cicle: 209 seg.
Acceleració màxima: 4 G
Pes del tren carregat :12.000 Kg
Capacitat: 1.450 passatgers / hora (amb tres trens)
Operació: el ride pot funcionar amb un, dos, o tres trens. El temps de recorregut del
despatx fins a l’entrada del Service Brake tren és de uns 100 s. Si hi ha dos o tres trens,
els trens poden quedar alineats a l’estació, Transfer i Service Brake.
Tren: esta format per un cotxe pilot seguit de set vagons amb capacitat per a 4
passatgers cada un. Les unions entre els vagons són articulades per permetre al tren fer
girs pronunciats.. Els vagons tenen rodes principals en cada costat, així com dues la
Frens: l’atracció consta de frens de fricció normalment tancats per mitja de molles
d’acer. L’obertura es per aire comprimit.
Estació: sense desnivell, és el bloc on està l’andana que permet pujar i baixar als
passatgers. Hi ha el sistema de obertura d’arnesos, i control d’arnesos. Aquest bloc està
equipat amb 4 rodes motrius que poden fer avançar i retrocedir el tren, així con enclavar-
lo.
Feeder: es un conjunt de 3 motors que transporten i acceleren el tren quant surt de
l’estació fins a la velocitat d’enganxar la cadena tractora del lift.
Lift: es el tram on s’eleva el tren. La tracció es transmet al tren mitjançant un
trinquet que engrana amb una cadena dentada que està conduïda per un motor DC de gran
potència. Tota la zona del lift està dotada amb un sistema antiretorn per impedir que els
trens puguin anar enrere si hi hagués qualsevol problema al sistema tractor. En tota la seva
longitud consta d’escales d’evacuació per als passatgers.
Zones de frens: el tren s’atura a les zones de frenada per frens de fricció que actuen
sobre unes plaques de fricció muntades a les quilles del tren,. Els frens sempre estan
tancats per la pressió d’unes molles, el que assegura la frenada en cas de absència de
67
control, o d’energia. El sistema utilitza aire comprimit per obrir-los. En les zones de
transfer i estació, el tren es frenat amb els motors motrius.
Block Brakes: aquest bloc de frens va de la sortida del Lift fins a meitat del tram de
gravetat. Com el nom indica és un bloc de frenada amb 8 frens, amb aquests el sistema
pot controlar (reduir) la velocitat del tren o aturar-lo completament. Disposa d’andana i
escales d’evacuació per als passatgers.
Service Brakes: aquest bloc va de la sortida del Block Brakes fins al final de la
zona de frenada principal. Consta de 7 elements de fre. En aquest bloc es controla la
velocitat que porta el tren en la zona de gravetat.
Safety Brakes: aquest bloc va de la sortida del Service Brakes fins a l’entrada de la
zona Transfer. Consta de 6 frens, i com el seu nom indica és una zona extra de frenada de
seguretat, per si falles el Service Brakes.
Storage: consta de tres pàrkings, un per cada tren. Cada tren te un pàrking on es
guarda cada dia al tancar la atracció. El tren queda suspès per les quilles deixant els
BUGGUIES de les rodes totalment accessibles als operaris de manteniment per les
inspeccions diàries.
Sistema de control: Ha estat actualitzat el 2014 per seguir els estàndards de
seguretat EN ISO 13849-1 en el Control de les Maquines[30]. El sistema de control consta
dels controladors programables PLC, de detectors inductius, fotocèl·lules i distribuïts
estratègicament per el Track per la detecció del tren. Amb ells el sistema s’assegura de la
integritat dels trens comptant totes les rodes del tren en cada zona per on passa, i mesurant
la velocitat d’aquest en cada eix per poder realitzar la frenada òptima. El sistema divideix
el track en blocs. Cada bloc conte una zona de frenada on es pot aturar un tren, els frens
també estan monitoritzats . El sistema s’encarrega d’impedir que hi puguin haver dos trens
a la vegada en cada bloc. Existeix un sistema de seguretat cablejada o hardware amb
enclavaments de blocs, i un sistema software amb redundància com ja s’ha dit per doble
controlador.
68
7.1.1 Planta de l’atracció amb els noms de les figures.
69
70
7.2 Temporitzacions.
7.2.1 Temps del tren en els diferents blocs
ESTACIÓ A LIFT LIFT LIFT SERVICE BR SERVICE ESTACIÓ ESTACIÓ
10 35 65 20 80
7.2.2 Duty Cycle de les llums en funció del nombre de trens al track.
Nº DE TRENS TEMPS CICLE TEMPS LLUMS TEMPS ESTACIÓ CICLE DUTY
1 209 65 80 31%
2 209 65 80 31%
3 240 65 80 27%
72
Referències
[1] http://playground.arduino.cc/Main/MPU-6050 11-10-2014.
[2] https://www.arduino.cc 11-10-2014.
[3] Traco Power, DC/DC converters TSR-1 Series, 1 A.pdf [ Datasheet ].
[4] http://Hamamatsu.com LED Chapter 08.pdf [ Handbook ] 03-01-2015.
[5] http://www.world-semi.com World-Semi, 3-Channel constant current LED driver with programmable
PWM outputs.pdf [ Datasheet ].
[6] http://www.world-semi.com World-Semi, WS2812B Intelligent Control LED Integrated Light
Source.pdf [ Datasheet].
[7] http://www.murata-ps.com OKI-78SR-series.pdf [ Datasheet].
[8] https://www.raspberrypi.org 03-01-2015.
[9] https://github.com/adafruit/Adafruit_NeoPixel 15-10-2014.
[10] http://bosch.com Bosch relays.pdf [ Datasheet].
[11] http://ixysic.com AN-145 SSR advantatges vs EMR.pdf [ Application Note].
[12] http://www.ssousa.com Application Note 040 Solid State Relays versus Electrmechanical Relays.pdf
[ Application Note].
[13] Muhammad H. Rashid, Electrónica de potencia, Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones 2ª edicion ,
Prentice Hall HispanoAmericana S.A. 1995.
[14] an-1084 IR power mosfets basics.pdf
[15] http://irf.com IRF4905_HEXFET.pdf [ Datasheet].
[16] http://www.digikey.es 287_XX_Heatsink_series.pdf [ Datasheet].
[17] www.vishay.com IRFZ44.pdf [Datasheet].
[18] AVR microcontrollers AVR120: Characterization and Calibration of the ADC on AVR.pdf
[ Application Note].
[19] http://Hamamatsu.com Si Photodiodes Chapter 02.pdf [ Handbook ] 03-01-2015.
[20] Digital 16 bit Serial Output Type Ambient Light Sensor IC.pdf [ Datasheet ].
[21] TEMT6000X01 Ambient Light Sensor.pdf [ Datasheet ].
[22] https://www.sparkfun.com/products/8688 15-10-2014.
[23] https://en.wikipedia.org/wiki/Microelectromechanical_systems 22-07-2015.
[24] http://store.invensense.com/ProductDetail/MPU6050-InvenSense-Inc/422200 17-07-2015.
[25] http://www.nxp.com NPX, I²C Bus Specification and User Manual.pdf [ Handbook ].
[26] http://www.irf.com International Rectifier, Application Note-1084 Power MOSFETs Basics.pdf [
Application Note ].
73
[27] http://onsemi.com ON semiconductor, Using MOSFETs in Load Switch aplications.pdf [
Application Note ].
[28] ATmega640/1280/1281/2560/2561.pdf Cap 31 Electrical Caracteristics. [Datasheet]
[29] http//www.iso.org
[30] https://library.e.abb.com Safety in control systems according to EN ISO 13849-1. EN_ISO_13849-
1_2TLC172003B02002.pdf