SENSORES DIGITALES
Realizado por:Hirvin Gonzalez
Estefania Perez
Conceptos Básicos
Sensores Digitales
Los sensores digitales son aquellos que frente a un estímulo pueden cambiar de estado ya sea de cero a uno o de uno a cero, en este caso no existen estados intermedios y los valores de tensión que se obtienen son únicamente dos, 5V y 0V.
Tipos de Sensores Digitales
Se distinguen dos tipos de sensores digitales, los primeros ofrecen directamente una señal digital a partir de una entrada analógica; este grupo lo forman los codificadores de posición. El segundo tipo es el de los sensores que se basan en un fenómeno físico de tipo oscilatorio, traducido posteriormente por un sensor modulador convencional. Los sensores de este grupo se denominan autorresonantes, de frecuencia variable, o casidigitales y necesitan un circuito electrónico posterior (un contador) para obtener la señal digital deseada.
A continuación se mostraran algunos de los diferentes tipos de sensores digitales que se encuentran
A continuación se mostraran algunos de los diferentes tipos de sensores digitales que se encuentran
Magnitud
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Transductor
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Posición lineal y angular
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Encoder
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Sensor Hall
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Desplazamiento y formación
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Magnetoestrictivos
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Velocidad lineal y angular
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Encoder
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Detector inductivo
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Servo-inclinometros
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Giroscopio
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Fuerza y Par
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Triaxiales
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Presión
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Manómetros digitales
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Proximidad
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Final de Carrera
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Sensor IR
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Distancia
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Ultrasónicos
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Presencia y movimiento
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Sensor PIR
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Sensores Ultrasonidos
Un sensor de ultra sonidos es un dispositivo para medir distancias. Su funcionamiento se basa en el envío de un pulso de alta frecuencia, no audible por el ser humano. Este pulso rebota en los objetos cercanos y es reflejado hacia el sensor, que dispone de un micrófono adecuado para esa frecuencia.
Midiendo el tiempo entre pulsos, conociendo la velocidad del sonido, podemos estimar la distancia del objeto contra cuya superficie impacto el impulso de ultrasonidos.
Funcionamiento de sensor Ultrasonido
El sensor se basa simplemente en medir el tiempo entre el envío y la recepción de un pulso sonoro. Sabemos que la velocidad del sonido es 343 m/s en condiciones de temperatura 20 ºC, 50% de humedad, presión atmosférica a nivel del mar. Transformando unidades resulta
Es decir, el sonido tarda 29,2 microsegundos en recorrer un centímetro. Por tanto, podemos obtener la distancia a partir del tiempo entre la emisión y recepción del pulso mediante la siguiente ecuación.
El motivo de dividir por dos el tiempo (además de la velocidad del sonido en las unidades apropiadas, que hemos calculado antes) es porque hemos medido el tiempo que tarda el pulso en ir y volver, por lo que la distancia recorrida por el pulso es el doble de la que queremos medir.
Sensor HC-SR04
El HC-SR04 es un sensor ultrasónico de bajo costo que no sólo puede detectar si un objeto se presenta, como un sensor PIR (Passive Infrared Sensor), sino que también puede sentir y transmitir la distancia al objeto. Tienen dos transductores, básicamente, un altavoz y un micrófono. Ofrece una excelente detección sin contacto (remoto) con elevada precisión y lecturas estables en un formato fácil de usar. El funcionamiento no se ve afectado por la luz solar o el material negro como telémetros ópticos (aunque acústicamente materiales suaves como telas pueden ser difíciles de detectar). La velocidad del sonido en el aire (a una temperatura de 20 °C) es de 343 m/s. (por cada grado centígrado que sube la temperatura, la velocidad del sonido aumenta en 0,6 m/s)
Características técnicas
Los módulos incluyen transmisores ultrasónicos, el receptor y el circuito de control.
Número de pines:
* VCC: Alimentación +5V (4.5V min – 5.5V max)
* TRIG: Trigger entrada (input) del sensor (TTL)
* ECHO: Echo salida (output) del Sensor (TTL)
* GND: Corriente de reposo: < 2mA
Corriente de trabajo: 15mA
Ángulo de medición: 30º
Ángulo de medición efectivo: < 15º
Detección de 2cm a 400cm o 1" a 13 pies (Sirve a más de 4m, pero el fabricante no garantiza una buena medición).
Resolución” La precisión puede variar entre los 3mm o 0.3cm.
Dimensiones: 45mm x 20mm x 15mm
Frecuencia de trabajo: 40KHz
Funcionamiento
Enviar un Pulso "1" de al menos de 10uS por el Pin Trigger (Disparador).
El sensor enviará 8 Pulsos de 40KHz (Ultrasonido) y coloca su salida Echo a alto (seteo), se debe detectar este evento e iniciar un conteo de tiempo.
La salida Echo se mantendrá en alto hasta recibir el eco reflejado por el obstáculo a lo cual el sensor pondrá su pin Echo a bajo, es decir, terminar de contar el tiempo.
Se recomienda dar un tiempo de aproximadamente 50ms de espera después de terminar la cuenta.
La distancia es proporcional a la duración del pulso y puedes calcularla con las siguiente formula (Utilizando la velocidad del sonido = 340m/s):
Distancia en cm (centímetros) = Tiempo medido en us x 0.017
Competencias
Una vez finalizada esta práctica el estudiante será capaz de identificar un sensor digital ultrasónico, conocer su método de funcionamiento, analizar los datos emitidos y recibidos por el sensor y logra desenvolverse con diferentes tipos de sensores digitales ultrasonicos.
Preguntas frecuentes
* ¿Qué recibimos en el sensor?
El tiempo que transcurre entre el envío y la recepción del ultrasonido.
* ¿Cómo vamos a traducir dicho tiempo en distancia?
Aprovechando que la velocidad de dicho ultrasonido en el aire es de valor 340 m/s, o 0,034 cm/microseg (ya que trabajaremos con centímetros y micro segundos). Para calcular la distancia, recordaremos que v=d/t (definición de velocidad: distancia recorrida en un determinado tiempo).
De la fórmula anterior despejamos d, obteniendo d=v·t, siendo v la constante anteriormente citada y t el valor devuelto por el sensor a la placa Arduino. También habrá que dividir el resultado entre 2 dado que el tiempo recibido es el tiempo de ida y vuelta.
* ¿Que aplicaciones puede tener un sensor ultrasónico?
Se puede utilizar, por ejemplo, para diferente tipos de proyectos como lo son alarmas de proximidad, medir niveles de agua de un tinaco o cualquier otro objeto que almacene algún tipo de líquidos. Ten en cuenta que para que este sensor funcione de manera correcta, se requiere de una superficie lisa y perpendicular a la dirección de propagación del sensor.
* ¿Que desventajas tiene un sensor ultrasónico?
Los sensores de ultrasonidos son sensores de baja precisión. La orientación de la superficie a medir puede provocar que la onda se refleje, falseando la medición. Además, no resultan adecuados en entornos con gran número de objetos, dado que el sonido rebota en las superficies generando ecos y falsas mediciones. Tampoco son apropiados para el funcionamiento en el exterior y al aire libre.
Practica con sensor ultrasónico
La practica consiste en realizar una medición de distancia con el sensor ultrasónico y el resultado se va a presentaren una pantalla LCD.
Materiales Necesarios
* Tarjeta Arduino UNO R3
* Módulo sensor ultrasónico HC-SR04
* Cables tipo dupont para conexiones
* Pantalla LCD
* Protoboard (opcional)
Diagrama de conexiones
En primer lugar, debemos armar el circuito de prueba para el sensor, el cual consiste en proveer alimentación al módulo, asignarle 2 pines de interfaz con el Arduino (echo y trigger) y conectarle una LCD. Este tipo de módulos para medición de distancia por ultrasonidos se divide en 2 grupos: Interfaz mediante pulso de eco e interfaz serial (I2C o UART). El HC-SR04 utiliza interfaz mediante pulso de eco, esta se logra mediante 2 pines digitales: el pin de trigger (disparo) y echo (eco).
El pin de disparo recibe un pulso de habilitación de parte del microcontrolador, mediante el cual se le indica al módulo que comience a realizar la medición. A través del pin eco el sensor “muestra” al microcontrolador un puso cuyo ancho es proporcional al tiempo que tarda el sonido en viajar del transductor al obstaculo y luego de vuelta al módulo. Una vez obtenida la variable del sensor, esta se muestra en la pantalla LCD.
Programa en Arduino
En esta sección, se muestra el programa dividido por partes, para poder explicar a detalle cada una de ellas, al final se encontrara un link para descargar el archivo de arduino completo
Configuración Inicial
En la parte de configuración inicial, se importa la librería del LCD y se configuran los pines que se van a utilizar del arduino para conectar el LCD, luego de esto se declaran las variables que se van a utilizar en el programa, las variables tiempo y distancia es donde se van a guardar los valores de los cálculos realizados, mientras que las otras dos variables son utilizadas para guardar los números de los pines que se van a utilizar para echo y trigger.
En la función void setup () se inicializa el LCD y luego se configuran los pines del arduino que se van a conectar al sensor como entrada y como salida.
Programa Principal
En el programa principal observamos la función void loop (), esta lleva a cabo el desarrollo del programa como tal y se encarga de generar el pulso de 10 microsegundos (mínimo) para el trigger del sensor, necesario para iniciar la actividad del sensor, lee el pulso generado por el pin echo del sensor y calcula la distancia con la formula antes presentada, una vez realizado esto, se visualiza en pantalla LCD la distancia entre el sensor y el objeto.
RESULTADOS
A continuación se presentan el resultado obtenido de la medición de distancia, mostrando en la LCD los diferentes valores de distancia que se puede presentar variando el potenciometro. Esto es para efecto practico de simulación, en caso de realizar el montaje físico no es necesario usar potenciometro.
BIBLIOGRAFIA
- Pallas Areny, Ramon. Sensores y acondicionadores de señal, Universidad Politécnica de Catalunya, 2003, 4ta edición. https://www.arrow.com/es-mx/research-and-events/articles/te-digital-sensors-the-path-forward
- Santa Jesus. Tutorial Sensor Ultrasónico HC-SR04 y Arduino, Mayo 2014. http://www.geekfactory.mx/tutoriales/tutoriales-arduino/sensor-ultrasonico-hc-sr04-y-arduino/
- Cana Julio. Sensor HC-SR04 para crear una alarma con Arduino, Enero 2016. https://hetpro-store.com/TUTORIALES/sensor-hc-sr04/
- El Barbus. Sensor ultrasonidos HC-SR04, Marzo 2014. http://elcajondeardu.blogspot.com/2014/03/tutorial-sensor-ultrasonidos-hc-sr04.html
- Llamas Luis, Medir distancia con arduino y sensor de ultrasonidos HC-SR04, Junio 2015. https://www.luisllamas.es/medir-distancia-con-arduino-y-sensor-de-ultrasonidos-hc-sr04/
- Soria Kevin, Todo lo que tienes que saber sobre: HC-SR04 Sensor Ultrasónico, Septiembre 2013, http://bkargado.blogspot.com/2013/09/todosobrehc-sr04.html
- Cuadros Ivan. Medicion de distancia con sensor ultrasonico y arduino, Mayo 2016. https://geekelectronica.com/medicion-de-distancia-con-sensor-ultrasonico-y-arduino/
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