Proyecto de control inalámbrico de barrera láser PARTE I

CIRCUITO EMISOR Y RECEPTOR EN PROTOBOARD (PRIMERAS IMÁGENES)

Esta imagen (de calidad mediocre) es el anticipo de un detallado proyecto que estoy probando para lograr un sistema de control y cronometraje de eventos hípicos para niños con autismo. El sistema, como primer prototipo, está realizado sin Arduino aunque utilicé unos CI emisores y receptores conectados a económicos módulos de rf en 433 MHz. Los detalles de los circuitos correspondientes los publicaré luego de probar su efectividad en campo real. Serán publicados en formato Fritzing con detallada lista de materiales y costo estimado en dólares. Aclaro que todos los softwares que uso son de código abierto y gratuitos 100%. Todos los programas en mi PC son así. Afortunadamente he encontrado un programa gratuito para cada cosa que quiero. Y si Windows no hubiera venido pre-instalado, estaría usando alguna de las versiones de Linux.

DE QUÉ SE TRATA

Recibí el encargo de pensar en algún modo práctico de cronometrar eventos hípicos para niños autistas sin llenar la pista de equitación con cables o personas que desconcentran y alteran a jinetes y caballos. Esto parecía fácil de lograr dada la cantidad de dispositivos inalámbricos que hay en el mercado. Eso fue un error de apreciación de mi parte.

La mayoría de los dispositivos económicos no cumplen con la espectativa de distancia de cobertura ni de precisión en las señales de rf. No cumplen ni si quiera con las especificaciones y prestaciones que dicen tener en su "datasheet" de fábrica.

PRIMERO LO PRIMERO

Evidentemente el primer paso en mi proyecto fue buscar algún sistema existente para este fin o parecido que pudiera adaptarse. Encontré de todo tipo, especialmente en E-Bay y sitios similares, pero los costos eran astronómicos, al menos para las posibilidades de un argentino no dolarizado. Por ese motivo me puse a diseñar mi propio sistema.

LAS BARRERAS

En primer término comencé a probar el sistema de barrera imperceptible para detectar el paso de cada jinete por la entrada y la salida de la pista. Probé de todo, incluyendo detectores de presencia o proximidad usados en alarmas caseras, pasando por infrarrojos y ultrasonido hasta llegar al diodo láser de baja potencia. Me quedé con el láser.

EN QUÉ CONSISTE EL SISTEMA

El sistema completo debe hacer lo siguiente:

1) Detectar la entrada de un jinete al circuito de salto y activar un cronómetro en una PC situada en la cabina de control y arbitraje del evento.

2) Desactivar los sensores de la barrera inmediatamente pasa un jinete para que ésta no detenga el cronómetro en una segunda pasada ya que el jinete suele pasar por la misma "puerta" varias veces durante el circuito pero la barrera sólo debe activarse la primera vez.

3) Proyectar el cronómetro en pantalla grande para el público.

4) Activar la barrera en la puerta de salida cuando el jinete concluye su actuación y se dirige hacia ella en forma final. También esta "puerta" suele ser pasada varias veces durante el evento pero sólo debe detener el cronómetro en la pasada final.

5) Todo debía ser inalámbrico.

El sistema láser de barrera lo construí con un diodo láser de 5V 5mW enfocado sobre una resistencia LDR que "espera señal" del lado opuesto del láser. La distancia entre emisor y receptor es de 5-6 mts.

La opción del láser es viable porque, excepto que haya mucho polvo o humo en la pista, el haz de luz es invisible. Basado en pruebas de campo pude comprobar que en ningún caso el láser produjo distracciones o efectos no deseados en animales o jinetes.

Evidentemente el sistema de barrera necesita un pequeño circuito que actúe según el LDR reciba o no la luz del láser y active un relé que a su vez activaría una señal de rf recibida en la cabina por un circuito receptor que activa o detiene el cronómetro según el caso.

Las barreras se alimentan de baterías de gel de 12 V. 7 Amp. colocadas y ocultas en las bases de las barreras. Evidentemente los circuitos contienen adaptadores de voltaje para no achicharrarse ya que trabajan en su mayoría con 5 V.

Estos son los componentes principales del sistema láser

Arriba: diodo láser. Izquierda: LDR.  Abajo: Relé 5V.

Estos componentes los compré en Mercado Libre por menos de dos dólares. A eso hay que sumarle varios componentes menores que luego detallaré en la presentación del circuito terminado.

Evidentemente, a medida que uno construye un circuito van saliendo defectos para corregir o mejoras para un desempeño seguro. El problema principal surgió al incorporar los transmisores de rf encargados de llevar la señal de las barreras hacia la cabina de control que, según la pista, suele estar de 40 a 100 mts. de distancia.

Para las primeras pruebas compré 2 juegos de TX y RX en los cuales gasté 6 dólares, también en Mercado Libre.

Módulo Receptor (RX)

• Voltaje de trabajo: 5VDC
• Consumo: 4mA
• Modulación: ASK / OOK
• Frecuencia de recepción: 433Mhz (o 315Mhz según el modelo)

Hay que tener muy en cuenta que el módulo receptor trabaja con 5V CC. Ni más ni menos ya que es muy sensible a los cambios de voltaje.

Módulo Emisor (TX)

• Voltaje de trabajo: 5 - 12 VDC
• Consumo: 20-30 mA
• Modulación: ASK / OOK
• Frecuencia de recepción: 433Mhz (o 315Mhz según el modelo)

El módulo TX trabaja mejor (mayor alcance) alimentado con 12 VCC y colocando una antena en el ojal superior derecho de la imagen. La antena debe ser de un cuarto de la longitud de onda de su frecuencia. En mi caso probé varias longitudes y quedé en 16 cm. como la óptima para ambos módulos. La antena consiste en un cable monofilamento extendido (no espiralado).

Vale aclarar que en ningún caso estos módulos superan los 50 mts. de alcance con línea visual directa y sin obstáculos. Tampoco debe haber grandes masas metálicas muy cerca de los módulos (autos, camiones o casillas) porque producen pérdida de señal.

Cómo trabajan:

Estos pequeños módulos fueron pensados, más que todo, para ser utilizados como control remoto a corta distancia para autos, alarmas, etc. Una vez que reciben alimentación eléctrica comienzan a emitir-recibir la onda portadora pero para que hagan un trabajo útil debemos introducir en el módulo emisor (TX) una modulación o señal en la patilla correspondiente a "data" (en la imagen es la patilla izquierda). En la patilla central (VCC) se conecta la alimentación + y en la derecha se conecta tierra - (GND).
En el módulo receptor la alimentación se conecta de la misma manera y la "data" se conecta a cualquiera de las dos patillas centrales (están puenteadas).
La "data" no es más que una señal lógica sacada de un circuito integrado que puede tener solo dos estados: LOW (bajo o nulo) o HIGH (alto o activo). Digitalmente sería un cero o un uno, según el caso.
Yo utilicé los CI  Ht12e + Ht12d que los venden por pares de emisor y receptor a 3 dólares el par, también en Mercado Libre. La ventaja de estos circuitos integrados es que no hay que programarlos para nuestro proyecto ya que vienen preparados para este fin y sólo hay que conectarlos correctamente.

Evidentemente yo compro los componentes en ML porque en mi ciudad (San Luis) no hay casas de electrónica bien equipadas. Sólo consigo (a veces) accesorios menores (resistencias, condensadores, diodos) siempre que no sean un poco "fuera de lo común". Esta situación hace muy complicado el trabajo de crear cosas en electrónica porque se debe planificar muy bien el trabajo para comprar todos los componentes en ML de una sola vez, dado el valor de los transportes que, a veces, superan el de la compra en sí.

Con este par de CI estaría completa la lista de componentes principales para comenzar a ensamblar nuestros circuitos. En mi caso compré un par de placas de prueba (protoboards) que recomiendo a todo entusiasta de la electrónica ya que pueden ser utilizadas infinidad de veces para distintos trabajos experimentales. Una vez logrado el funcionamiento deseado de nuestros circuitos podemos ensamblarlos en PCB que son las placas de circuitos impresos pre-perforados para fijar los componentes con sus soldaduras correspondientes. Un ejemplo es la primera imagen de esta nota en donde se muestran los circuitos tal como se preparan en la placa de pruebas.