Separador de bolas de colores


Categoría: Pandilla Juvenil (1ro. 2do. y 3ro. de nivel Secundaria)
Área de participación: Mecatrónica

Asesor: Proyecto1016 Invitado

Miembros del equipo:
Juan Antonio Montero Pedroza(), Colegio Interlaken,
Ana María Calvo Quintero(), Asesor, Colegio Interlaken,

Resumen

Nuestro proyecto consiste en la construcción de una máquina automatizada capaz de detectar un color y separar el objeto en diferentes ubicaciones.

Los componentes empleados para la construcción de este prototipo son componentes electrónicos básicos.

Es importante aclarar que en cuanto a nuestro prototipo se le dio más importancia a la operatividad y funcionalidad, por encima del diseño.

El primer pasó de conocer el funcionamiento de cada componente que constituye el circuito, así como crear el circuito eléctrico que rige la lógica de la máquina, con ayuda de la investigación y documentación.

Se creó el primer circuito en una Protoboard con base al circuito eléctrico y  se insertaron los componentes electrónicos (resistencias, transistores, sensores, etc.). Es importante mencionar que el cerebro de nuestra máquina es el circuito integrado LM358 ya que es el encargado de decidir si el motor se activa o apaga con base a la señal que envía el sensor.

El diseño de la maquina fue tratado de hacerse lo más sencillo posible, para que solo separara dos colores.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

El presente trabajo que aquí se expone, trata sobre los sistemas automatizados en los procesos productivos y como algunos de los conceptos estudiados durante nuestra formación secundaria, como son los temas de ondas y sus características se aplican en el diseño de elementos complejos que en dado momento sirven para la automación de tareas diversas.

Durante el desarrollo de este trabajo se exponen las características y metodologías empleadas para desarrollar una maquina capaz de diferenciar objetos de diferente color y llevar a cabo una tarea específica como es clasificarla y a su vez enviarla a una posición determinada. Se expondrán también los resultados obtenidos y observaciones durante el proceso de diseño y ejecución de nuestra máquina. Que culminaron finalmente en el  cumplimiento de los objetivos establecidos para el proyecto.

Antecedentes

El Color

Para empezar podemos decir que “el color como tal no existe”. Suena extraño afirmar esto, pero a continuación se demostrará esto.

Fue Isaac Newton quien tuvo las primeras evidencias de que el color no existe; encerrado en una habitación obscura Newton dejó pasar un pequeño rayo de luz blanca, a través de un orificio, este intercepto un cristal y percibió que al pasar por el cristal se descomponía en 6 colores (rojo, naranja, amarillo, verde, azul y violeta), así se estableció que cuando la luz choca con algún cuerpo este absorbe algunos colores y refleja otros. Los colores reflejados son los que percibimos con la vista estos forman diferencias entre rangos a los que se les denomina “espectro de color”

El espectro de color es la distribución energética de las ondas de luz, las distintas frecuencias de esta se distinguen como colores. Aunque no podemos ver todas las frecuencias, sino solamente una fracción de las que existen. Podemos ver únicamente aquellas frecuencias correspondientes a los colores comprendidos entre el rojo y el violeta.

La Electrónica:

Es el campo de la ingeniería y de la física aplicada relativo al diseño y aplicación de dispositivos, por lo general circuitos electrónicos, cuyo funcionamiento depende del flujo de electrones para la generación, transmisión, recepción, almacenamiento de información entre otros. Esta información puede consistir en voz o música como en un receptor de radio una imagen en la televisión o en la computadora

Robótica:

La robótica es la ciencia y la tecnología de los robots. Se ocupa en diseño, manufactura y aplicaciones de los robots. La robótica combina diversos disciplinas como son: la mecánica, la electrónica, la A.I. (Inteligencia Artificial) y la ingeniería de control. Algunas de las áreas más importantes en la robótica son el álgebra, la programación y la tecnología de los materiales.

Objetivo

Al finalizar el proyecto los alumnos pondrán:

  • Construir una máquina que identifique y separe objetos por color, que funcione mediante un sensor de proximidad, para distinguir de acuerdo al espectro de color emitido por el objeto, usando componentes básicos de electrónica.
  • Profundizar en el estudio y desarrollo tecnológico, despertando la creatividad e imaginación en los alumnos de secundaria.
  • Conocer más acerca de la robótica, así como analizar las ventajas y desventajas de las máquinas automatizadas.

 

Justificación

Hipótesis

Método (materiales y procedimiento)

Para la realización de nuestro proyecto se realizaron diferentes prototipos, con la finalidad  de construir un sensor de colores, que pudiera emitir datos de acuerdo a las diferencias de color; se empleó un sensor CNY70 utilizado para medir distancias, con la idea de que, como cada color refleja diferentes longitudes de onda, este podría marcarnos  diferentes voltajes dependiendo del color.

En otra etapa del proceso de diseño del circuito eléctrico, fue necesario comparar las señales para poder activar el sentido del motor. A continuación se enlistan los materiales empleados para la construcción del circuito:

Circuito Eléctrico:

  • Circuito Integrado LM358 (Dispositivo electrónico, consta de dos circuitos iguales, que amplifican una señal de entrada y la comparan con el voltaje de salida, cuando este voltaje es igual al de referencia, emite una señal positiva).
  • 2 Resistencias de 470 Ω
  • 1 Resistencias de 220 Ω
  • 2 Resistencias de variables 10 KΩ
  • 1 Resistencias de 560 Ω
  • 6 Relevadores de 10 A para 9 volts. (Elemento electromecánico, que consiste en un cable enrollado entre un metal, por donde pasa la corriente, genera un campo magnético que desplaza a la parte mecánica, esto sirve como un switch).
  • 2 Interruptores NCNA
  • 2 TIP122
  • 4 Diodos IN4004 (Componente electrónico constituido por PNP que al pasar cierta corriente permita o evita el paso de la corriente).
  • 1 Sensor CNY70 (Dispositivo constituido por 2 diodos, uno es un emisor de luz infrarroja y el otro es un receptor de luz que funciona como una válvula, que deja pasar solo una cantidad de energía mientras se excita).
  • 1 Motor (12 volts) a 1 A 650 Rpm
  • 10 Metros de cable calibre 20 diferentes colores
  • 6 Terminales planas hembra de 3/32 de pulgada

Parte mecánica:

  • Pijas para tabla roca (1 pulgada)
  • MDF de ½ de pulgada
  • Tubo PVC 30 cm de ½ de pulgada
  • 1 Vidrio de forma circular de 2 pulgadas x 2 mm de espesor
  • Pintura Negra
  • Pelotas de 2 colores de 1.25 de pulgada

Inversión aprox.: $600

Descripción del funcionamiento del circuito eléctrico

Para controlar el dispositivo mecánico, se requiere del siguiente conjunto de funciones las cuales iremos describiendo. Para poder sensar un color es necesario utilizar el integrado CNY70 que básicamente consta de dos diodos internos; un diodo emisor de luz infrarroja y un diodo octo-acoplador los que son alimentados por una tensión de 5 voltios y que con ayuda de dos resistencias limitamos la corriente y la tensión que este consume; el diodo emisor emite un haz de luz, que es reflejado por el objeto y absorbido por el octo-acoplador, que envía una un cierta cantidad de energía que varía de los 0 a 5 voltios dependiendo de los colores.

Como el voltaje de salida del CNY70 es muy bajo, este se amplifica y es comparado con el voltaje de referencia a través del integrado  LM358; para regular la sensibilidad del color se ajustan con los potenciómetros hasta que el voltaje de referencia y el voltaje del sensor son iguales, cuando se alcanza la igualdad entre los voltajes el LM358 emite una señal de on/off (encendido o apagado).

Como la señal que sale del LM358 es de 5 voltios y los relevadores necesitan 12 voltios, se requiere de una etapa de potencia que soporte los 12 voltios esto lo logramos con los transistores TIP122 que son switchs electrónicos de alta velocidad quienes soportan la nueva tensión, para evitar que la corriente se regrese a los integrados desviamos la corriente con diodos IN4004 que permiten el paso de la corriente en una sola dirección.

Después de que logramos tener las dos señales que requerimos para indicar la dirección  que debe de tomar nuestro motor, es necesario asegurar que  no estén energizadas ambas, logramos  hacerlo con un arreglo de relevadores que funcionan como compuertas NOR es decir es una o la otra pero no las dos.

La señal que ha sido controlada para solo activarse de una por una, dura solo un instante, por lo que necesitamos mantener encendido el motor hasta que llegue el brazo a su posición final, en una segunda etapa de relevadores se realiza la función de enclave, es decir que mantienen conectado el motor hasta que llega a una posición deseada, la posición es determinada por dos contactores ubicados al final de la trayectoria, que cortan la señal que retroalimentaba a los relevadores y así desconectar el motor.

Por último es necesario la participación de un sistema que invierta el giro del motor, ya que al estar conectados  en un solo punto la parte negativa y la positiva entrarían  en corto circuito,  ha este arreglo con relevadores se le llama driver, que acopla y al mismo tiempo invierte las polaridades de la corriente eléctrica, para dar sentido de giro adecuado al motor.

Galería Método

Resultados

Algunos de los problemas que tuvimos en el proyecto fueron:

  • La variación de voltaje entre uno y otro color es relativamente corta, por lo que pese que se amplifica la señal emitida por el sensor, resulta un poco complejo la calibración entre un color y otro.
  • El sistema de comparadores no prendía un sistema a la vez si no cuando era un color claro se prendían los dos por lo que se tuvo de utilizar un sistema de compuertas tipo NOR para solucionarla.
  • Mantener prendido un sistema a la vez que se generara la señal hasta que el objeto llegara a su posición final y que al mismo tiempo se desconectaran.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

Al término del tiempo establecido para la realización de nuestro proyecto se cumplió con el objetivo de crear un sistema automatizado capaz de diferenciar entre dos colores distintos, y llevar estos objetos a una posición en particular. Podemos concluir que “en efecto los colores se forman a partir de la descomposición de la luz blanca y estos emiten una cierta cantidad de luz con propiedades de longitud y amplitud de ondas electromagnéticas distintas entre los colores”, por lo que pudimos aprovechar  este fenómeno para lograr nuestro proyecto.

Bibliografía

Alvarenga, M; Alvarenga, B. 2004. Física general, 5 ed. México: Oxford.

Tippens, P. 2007. Física: conceptos y aplicaciones. 7 ed. México: Mc-Graw Hill.

Salamanca, R. J.2012. Física II. D. F. México: Universidad Nacional Autónoma de México.

Creig, J. 2012. Robótica, 4 ed. México: Mc Graw Hill.

Martí, A, P, 2006. Electrónica Básica en Automoción, 3 ed. Barcelona España: Boixareu

García, P. 2014. Sensor de colores. Consultado el 09 septiembre 2015. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=DKhTtNc3eoQ

García, P. 2014. Robot seguidor de líneas. Consultado el 09 septiembre 2015. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=05vdHuPkL1I&list=PLnwu2s7SIakRQqAt90obS4lUZcZuzm8bW



Separador de bolas de colores


Separador de bolas de colores

Summary

Our project consists of building a machine capable of detecting colors and separate objects into different ubications.

The components used for the construction of this prototype are basic electronic components.

It is important to note that in terms of our prototype we gave more importance to the operability and functionality, for on the design.

The first step was knowing the operation of each component that constitutes the circuit and create the electrical circuit that governs the logic of the machine, with the help of research and documentation.

The first circuit was created in a Protoboard using different types of electronic components (resistors, transistors, sensors, etc.) they were inserted. It is noteworthy that the brain of our machine is the LM358 integrated circuit, which is responsible for deciding if the engine is turned on or off based on the signal of the sensor.

The design of the machine was tried to be as simple as possible, so only two colors can be separated.

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Results

Discussion

Conclusions

Bibliography