PROYECTO FINAL DE CARRERA · 2017-11-21 · PROYECTO FINAL DE CARRERA Sistema de adquisici on de datos compacto para medidas de extensiometr a y posici on Enrique P erez S anchez

PROYECTO FINAL DE CARRERA

Sistema de adquisicion de datoscompacto para medidas deextensiometrıa y posicion

Enrique Perez Sanchez

Junio de 2013

Tema y Título

Sistema de adquisición de datos compacto para medidas de extensiometría y

posición.

Autor

Enrique Pérez Sánchez

Titulación

Ingeniería técnica de telecomunicación, especialidad en sistemas electrónicos

Tutor

Guillermo de Arcas Castro

Departamento

Sistemas electrónicos y de control

Director

Tribunal

Guillermo de Arcas Castro

Francisco Estaire Estaire

Juan Manuel López Navarro

Presidente

Vocal

Vocal Secretario

Fecha de Lectura

17 de julio de 2013

En este proyecto se trata el diseño y construcción de un sistema de adquisición de datos

compacto y de bajo coste para medidas de extensiometría y posición. Dicho sistema irá

embarcado en una bicicleta de montaña con el fin de medir determinados parámetros.

Estos parámetros son a) Elongación de las suspensiones, b) Deformación en el cuadro.

Para la medida de elongación de las suspensiones se diseña y construye un sensor casero de

bajo coste basado en una transparencia y un par de diodos fotoemisor y fotorreceptor

infrarrojos. Se imprime un gradiente y se emplean dos tubos coaxiales de PVC.

La medida de extensiometría se realiza con galgas extensiométricas, puentes de Wheatstone y

amplificador de instrumentación.

Las muestras se digitalizan con el ADC del microcontrolador C8051F020 de la casa Silabs, que

se usa en una placa de desarrollo, y se almacenan en una memoria flash serie.

Se desarrolla un software para PC con LabView para poder recibir, procesar y visualizar las

muestras obtenidas de los distintos canales con el fin de analizarlas.

Se obtienen conclusiones de los resultados de pruebas básicas

On this project, the design and construction of a compact, low cost, data adquisition system

for strain and position measurements is dealt with. Such system will be embedded on a bicycle

in order to measure certain parameters.

These are a) Suspension elongation, b) Frame deformation.

For suspension elongation measurements, a homemade, low cost sensor based on a

photoemitter-photoreceiver diode couple and a transparent sheet is designed and built. A

gradient is printed in the transparent sheet, and two coaxial PVC pipes are used.

Strain measurements are carried out by means of a strain gage, Wheatstone bridges and an

instrumentation amplifier.

Samples are digitized with Silabs’ C8051F020’s ADC, which is used in a development board, and

are stored in a serial flash memory.

Software for PC on LabView is developed in order to receive, process and visualize the

obtained samples from each channel in order to analyze them.

Results are obtained from basic tests.

Indice general

1. Introduccion 1

1.1. Objetivo del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2. La bicicleta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3. Tecnologıa habitual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4. Tecnologıa empleada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.5. Herramientas utilizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2. Diseno 7

2.1. Diagrama de bloques general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2. Galgas extensiometricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3. Sensores de posicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4. Microcontrolador. Placa de desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.4.1. ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.4.2. SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.5. Placa auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.5.1. Memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.5.2. Acondicionamiento de senal, electronica analogica . . . . . . . . . . 31

iii

iv INDICE GENERAL

2.5.3. Alimentacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.5.4. Conversor UART - USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.6. Software en el microcontrolador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.6.1. Configuracion de los perifericos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.6.2. Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.7. Software en el PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.7.1. Introducion basica a LabView . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.7.2. Vista general y partes principales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.7.3. VI de adquisicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

2.7.4. Procesado de los datos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.7.5. Graficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.7.6. Panel frontal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.7.7. Medida de la velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

2.8. Costes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3. Resultados y conclusiones 61

3.1. Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.1.1. “Wheelie” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.1.2. Escaleras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.1.3. Aceleracion y frenada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.1.4. “Stoppie” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.2. Curiosidades y problemas encontrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.2.1. Aislamiento optico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

INDICE GENERAL v

3.2.2. Resiliencia del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.2.3. Conectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.2.4. Prototipado con partes SMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.2.5. Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.2.6. Circuitos apilados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.3. Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.4. Fotografıas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

vi INDICE GENERAL

Indice de figuras

1.1. Bicicleta empleada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2. Historia del MTB, version grafica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1. Diagrama de bloques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2.2. Galga extensiometrica con su datasheet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3. Funcionamiento de una galga extensiometrica . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4. Proceso de instalacion de una galga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.5. Circuito empleado en el puente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.6. Gradiente empleado en los sensores de posicion . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.7. Detalle de la construccion del sensor de posicion - 1 . . . . . . . . . . . . . 17



2.10. Circuito acondicionador del sensor de posicion . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.11. Patrones de Moire en el gradiente del sensor de posicion . . . . . . . . . . . 21

2.12. Caracterizacion de los sensores de posicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.13. Placa de desarrollo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.14. Diagrama funcional del ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

vii

viii INDICE DE FIGURAS

2.15. Diagrama funcional del periferico SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.16. Esquema de funcionamiento del bus SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.17. Detalle de construccion de la PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.18. Placa PCB auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.19. Cronograma del comando AAI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.20. Acondicionamiento de senal de la PCB auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.21. Caracterısticas principales del multiplexor diferencial . . . . . . . . . . . . . 32

2.22. Caracterısticas principales del amplificador de instrumentacion . . . . . . . 32

2.23. Caracterısticas principales del multiplexor ADG704 . . . . . . . . . . . . . . 33

2.24. Circuito para los reguladores lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.25. Extracto del datasheet de los reguladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.26. Conversor USB - UART . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.27. Diagrama del timer 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.28. Diagrama del timer 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.29. Diagrama del UART1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.30. Diagrama de la tension de referencia interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.31. Temporizacion del ADC0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.32. Diagrama del DAC0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.33. Esquema de los puertos 0,1,2 y 3 del micro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.34. Prioridades en el crossbar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.35. Configuracion del crossbar empleada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.36. Diagrama de flujo del programa del microcontrolador . . . . . . . . . . . . . 44

INDICE DE FIGURAS ix

2.37. Diagrama de flujo de la inicializacion de la memoria . . . . . . . . . . . . . 46

2.38. Diagrama de flujo de la obtencion de valores necesarios en los DAC . . . . . 47

2.39. Diagrama de bloques general del VI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2.40. Diagrama de bloques del VI de adquisicion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2.41. Estructura de los datos en la memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2.42. Diagrama de bloques del VI de procesado de datos . . . . . . . . . . . . . . 54

2.43. Diagrama de bloques del diezmado de los datos de los sensores digitales . . 55

2.44. Diagrama de bloques del VI de reordenacion de datos . . . . . . . . . . . . 56

2.45. Diagrama de bloques del VI dedicado al control de los graficos . . . . . . . 57

2.46. Panel frontal del VI principal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

2.47. Diagrama de bloques del VI dedicado al calculo de velocidad . . . . . . . . 59

3.1. Resultado del “wheelie” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.2. Resultado de la bajada de las escaleras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.3. Oscilaciones en el tubo diagonal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.4. Efecto de aceleracion y frenada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.5. Resultado del “stoppie” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

3.6. Efecto de una fuente de luz artificial sobre un sensor . . . . . . . . . . . . . 71

3.7. Placas conversoras de SMD a perforacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.8. Flux empleado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.9. Medios empleados para el insolado de la PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

3.10. Comprobacion de las correctas dimensiones de la placa auxiliar . . . . . . . 77

3.11. Fotografıas - I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

x INDICE DE FIGURAS

3.12. Fotografıas - II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.13. Fotografıas - III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Capıtulo 1

Introduccion

El objetivo de este proyecto es el desarrollo de un dispositivo de adquisicion de datos,

ası como el correspondiente software para PC con el que visualizar los datos obtenidos.

En este capıtulo se procede a enumerar caracterısticas basicas del proyecto, algunas de

las cuales se detallan mas adelante.

1.1. Objetivo del proyecto

El objetivo del proyecto es desarrollar un sistema que permita medir las deformaciones

que se producen en diversos puntos del cuadro de una bicicleta de montana mientras se

usa, ası como el recorrido hecho por las suspensiones, empleando un sistema de adquisicion

de datos que sea compatible mecanicamente con una bicicleta de montana y cuyo coste

total sea reducido.

Se ha de poder visualizar los datos en un PC, por lo que se desarrolla un software sencillo

para poder visualizarlos, empleando para ello una version de estudiante de Labview.

Se disenaran, caracterizaran e instalaran los sensores correspondientes (que se detallaran

mas adelante) en una bicicleta de montana, y se tratara de obtener resultados tras efectuar

recorridos de prueba, de los que se puedan extraer conclusiones.

1

2 CAPITULO 1. INTRODUCCION

La bicicleta sobre la que se trabajara es un prototipo de un diseno que aun no se ha

finalizado ni fabricado en serie (es el unico modelo existente), por lo que se pretende que

el sistema sirva para obtener datos utiles para mejorar el diseno final.

Se pretende tambien que algunas partes del sistema, ası como los conocimientos gen-

erados, sirvan de base para el desarrollo de futuras implementaciones electronicas en la

bicicleta que puedan ser aprovechadas no solo por un fabricante, sino tambien para el

desarrollo de productos destinados a un usuario final.

Estas implementaciones pueden consistir en la gestion automatica y/o programada de los

sistemas de suspension. Con esta implementacion se conseguirıa no emplear los ajustes

optimos de suspension para un recorrido completo, sino ajustes optimos para las distintas

partes de un recorrido (por ejemplo, aumentar la compresion [1] y disminuir el rebote [1]

durante un ascenso, e invertir esos ajustes en una zona de descenso rocoso).

De estas caracterısticas (y de los datos que se desea analizar) se deriva que se desea

trabajar con medidas dinamicas, es decir, no se desea obtener datos con valores absolutos,

sino desviaciones de una magnitud fısica con respecto a un punto inicial.

1.2. La bicicleta

Se trata de una bicicleta de la casa OXObikes [2], una marca de alta gama que ha

cedido un prototipo unico con el fin de someterlo a pruebas con este proyecto y ası tener

la posibilidad de evaluar la utilidad de este.

El concepto tradicional de bicicleta para el profano puede resultar demasiado simple

como para aplicarle amplias disgresiones tecnologicas, no obstante esto dista bastante de

la realidad actual del mundo de la bicicleta. Existen componentes en la bicicleta, por

ejemplo una horquilla, cuyos manuales de usuario y servicio son extensos, difıcilmente

comprensibles sin una formacion tecnica, y cuyo dominio de sus parametros puede marcar

una diferencia importante en ciertas competiciones. Poniendolo en un contexto quiza mas

1.2. LA BICICLETA 3

Figura 1.1: Bicicleta empleada para el proyecto.

extendido, una horquilla de descenso de competicion [3] cuenta con mas ajustes que las

suspensiones de un World Rally Car [4].

La bicicleta en cuestion pertenece a una modalidad llamada all mountain [5], por lo que

cuenta con doble suspension y una masa no muy elevada. Debido a que esta modalidad

habitualmente implica el remonte de grandes pendientes positivas, es importante que el

cuadro sea lo mas ligero posible.

Evaluar las deformaciones en diversos puntos del cuadro ayuda a determinar los puntos

que mas estres sufren, y por tanto a determinar en que lugares la resiliencia puede llegar

a ser insuficiente, o en cuales puede ahorrarse masa.


Figura 1.2: Vision de la evolucion del mountainbike en 1993, 19 anos antes de la redaccionde este proyecto. c© Benat Azurmendi y Francis Navarro. Reproducido con consentimientode los autores.

1.3. Tecnologıa habitual

El primer sistema comercial OEM con tecnologıa electronica para la gestion de la sus-

pension (solo del amortiguador (suspension trasera)) ha salido al mercado en julio del ano

2012 [6]. Se trata de un sistema que gestiona el parametro de compresion (similar a un

parametro de precarga, pero no lineal, siendo mas acusado en el final del recorrido [7] [1])

de un amortiguador en funcion de datos obtenidos por dos acelerometros situados en el eje

delantero y en la potencia, ası como un sensor de velocidad de compresion de la horquilla.

De un modo sencillo, el sistema cambia un parametro del amortiguador entre tres config-

uraciones preestablecidas en funcion de los datos obtenidos de unos sensores.

1.4. TECNOLOGIA EMPLEADA 5

Por otro lado, actualmente gozan de cierta popularidad los sistemas electronicos de

cambio de desarrollo [8](especialmente en ciclismo de carretera), si bien son sistemas sin

sensores y solo cuentan con los actuadores correspondientes, marcan un hito en cuanto a

la incorporacion de dispositivos electronicos en un producto destinado a un usuario final

sin formacion tecnica.

Desde el punto de vista de la incorporacion de mas electronica en una bicicleta esto supone

una ventaja importante, ya existe una tendencia a la presencia de una baterıa sobre la

bicicleta.

Respecto a los sistemas de adquisicion de datos, los fabricantes de este ambito que hacen

tests dinamicos a sus productos habitualmente se emplean sistemas desarrollados para el

mundo del automovilismo (por lo que no es extrano que esten basados en el bus CAN).

Estos sistemas suelen grabar datos con tasas de muestreo del orden de cientos de muestras

por segundo por sensor, y suelen estar filtrados paso bajo a frecuencias tan bajas como

25Hz, debido a que las variaciones en las variables a medir en el mundo automovilıstico

(suspensiones, deformaciones, etc.) lo hacen en ese ancho de banda [9].

1.4. Tecnologıa empleada

Este sistema esta disenado de cara a medir deformaciones en un material metalico medi-

ante el uso de galgas extensiometricas acondicionadas con puentes de Wheatstone, ası como

para medir la posicion relativa de dos piezas empleando un sensor que proporcione una

tension proporcional a dicha distancia.

El sistema tendra que ser montado sobre una bicicleta de montana y debe permitir el

normal uso de esta teniendo en cuenta en que consiste dicho uso en la actualidad, con lo

que debera contar con las propiedades mecanicas adecuadas para ello, tanto en cuestion

de resistencia como de volumen.


La tasa de muestreo sera de aproximadamente 6000 muestras por segundo, multiplexan-

do entre distintos sensores (hasta 8 extensiometricos, y hasta 2 de posicion). La resolucion

de los datos obtenidos sera de 12 bits.

Se emplean galgas extensiometricas de la antigua casa micromeasurements, con un factor

de galga de 2.1 y una resistencia de 120Ω. Se acondicionan con un puente de Wheatstone,

con 4 resistencias de 120Ω y un potenciometro de 10Ω cada uno, alimentados a 3.3V

provenientes de un regulador lineal fijo.

La posicion de las suspensiones se mide con sensores de posicion opticos caseros de muy

bajo coste, basados en un metodo de transparencia variable, que se detallara en apartados

posteriores.

El sistema esta desarrollado alrededor de una placa de desarrollo de la casa Silicon Labs

[10]. De ella y de como ha condicionado el diseno se tratara a continuacion. Los datos se

almacenan en una memoria flash serie que funciona mediante el interfaz SPI.

1.5. Herramientas utilizadas

Se han instalado las galgas con cianoacrilato, tratando previamente el metal con desen-

grasante. No fue necesario ningun otro tratamiento debido a que se encargo al fabricante

del aluminio un acabado raw, es decir, sin ningun tratamiento mas alla de un esmalte

protector no intrusivo y de facil eliminacion. Su proceso de instalacion se detalla en el

capıtulo posterior.

Las pruebas electronicas se han hecho en los laboratorios de la escuela.

La placa de circuito impreso principal en la que residen, entre otros, la citada memoria

y la electronica analogica correspondiente al acondicionamiento de senal, de la que se

hablara mas adelante, se ha insolado y atacado empleando herramientas caseras. Debido

a la naturaleza del proyecto, se han empleado herramientas de taller (amoladora, sierra de

pendulo, etc.).

Capıtulo 2

Diseno

En este capıtulo se describe de forma pormenorizada el diseno empleado.

Se introduce un diagrama de bloques sencillo, para posteriormente describir los elemen-

tos que lo forman, tanto hardware como software.

2.1. Diagrama de bloques general

Como se puede apreciar en el diagrama de la figura 2.1 (pagina siguiente), el sistema

esta centrado en el microcontrolador.

Un multiplexor conecta los distintos puentes de Wheatstone con sus galgas (se muestran

3, pueden conectarse 8) al microcontrolador, y otro multiplexor conecta los sensores de

posicion. La razon de que no se encargue de ello un solo multiplexor es que los puentes

proporcionan una salida diferencial, salida posteriormente acondicionada por un amplifi-

cador de instrumentacion, mientras que los de posicion la proporcionan referida a masa.

Por esto se necesita una topologıa de multiplexor diferente para cada tipo de sensor. De

nuevo, los pormenores del asunto se trataran mas a fondo en las siguientes secciones.

Se aprecia un bloque de alimentacion que proporciona la energıa electrica a todo el

sistema. El sistema puede alimentarse con tensiones comprendidas entre los 4.5V y los

7

8 CAPITULO 2. DISENO

Figura 2.1: Diagrama de bloques

2.1. DIAGRAMA DE BLOQUES GENERAL 9

10V (siendo ideal, y la intencion, emplear dos baterıas de 3.7V en serie), y el bloque de

alimentacion proporciona las tensiones necesarias para cada componente que lo requiera.

La propuesta de dichas baterıas viene dada por dos motivos fundamentales

Las baterıas de 3.7V pueden ser encontradas en diversos tamanos en multitud de

dispositivos electronicos (reproductores de musica, moviles. . . ), cuentan con una

capacidad elevada y son recargables, siendo facil encontrar un cargador para ellas.

Esto serıa una gran ayuda de cara a mantener el coste muy reducido, ya que se

pueden aprovechar de equipos en desuso.

La tension que se obtendrıa al colocarlas en serie, 7.4V, es igual a la que proporcionan

los cambios electronicos como el citado en el capıtulo de introduccion [8] de los

cuales es conocido experimentalmente, si bien no se cita expresamente por parte del

fabricante, que pueden funcionar en un rango de tensiones generoso. Esto supondrıa

un importante componente de compatibilidad entre estos sistemas, siguiendo un

estandar de facto de posible y probable imposicion futura.

La memoria es una memoria flash serie que funciona mediante interfaz SPI, de 32Mb de

capacidad. Esta capacidad se ha considerado suficiente puesto que las pruebas a desarrollar

seran trazados cortos de caracterısticas muy determinadas (escaleras, fuerte pendiente

ascendente, aceleraciones rapidas. . . ), y no se necesita almacenar una cantidad de datos

muy grande. La capacidad de la memoria serıa por tanto suficiente para almacenar mas

de cinco minutos de recorrido (empleando una tasa de transferencia de 6000 datos de 16

bits por segundo).

El bloque de acondicionamiento de senal esta dedicado principalmenet a la parte relativa

a la medida extensiometrica. Consiste en un amplificador de instrumentacion seguido de

un amplificador operacional y un filtro de primer orden, que proporcionan la ganancia

necesaria (del orden de 1000[V/V ]) y una frecuencia de corte de unos 50[Hz]. Tal ganancia

es necesaria para amplificar la senal producida por los puentes ante las deformaciones

existentes en el cuadro, y la frecuencia de corte elimina ruido electronico (Johnson o


termico) a la vez que no perturba las frecuencias de los datos que se pretenden medir. Un

DAC controla la tension de referencia del amplificador de instrumentacion para obtener la

senal con el offset adecuado para las medidas dinamicas correspondientes, variando para

cada canal.

Los sensores de posicion no cuentan con acondicionamiento debido a que proporcionan

una senal util, como se detallara en la seccion correspondiente.

En la placa tambien se anade un conversor UART/USB con el que se envıan los datos

al PC, en el cual, como se vera, se emplea un puerto serie virtual para recibir los datos.

2.2. Galgas extensiometricas

Se han empleado galgas extensiometricas de la casa micromeasurements como la mostra-

da en la figura 2.2. La longitud del serpentın, medida con calibre, es 4.35mm, una longitud

adecuada para las medidas que se desean realizar debido a que la deformacion es ho-

mogenea en tramos muy superiores a la longitud de la galga, es decir, no hay gradiente de

deformacion en la longitud de la galga (es suficientemente pequena).

El principio de funcionamiento de las galgas extensiometricas es bastante sencillo y existe

mas que suficiente literatura acerca de el [14].

Como se puede apreciar en la figura 2.3, una galga extensiometrica consiste basicamente

en una lamina aislante sobre la que reside un patron (habitualmente un zig zag) de cobre

muy fino. Si esta lamina se pega a un material, cuando el material se deforme tambien lo

hara la lamina y el cobre que reside sobre ella, modificandose su espesor, su resistividad

lineal y por tanto la resistencia de la galga. La relacion entre la variacion relativa de

esta resistencia y la deformacion (strain) que la produce se llama factor de galga, que es

adimensional debido a que una variacion relativa, ası como una deformacion mecanica,

son adimensionales.

2.2. GALGAS EXTENSIOMETRICAS 11

Figura 2.2: Una de las galgas extensiometricas empleadas, con su datasheet.

Figura 2.3: Funcionamiento de una galga extensiometrica. Wikipedia.


Figura 2.4: De izquierda a derecha y de arriba a abajo: zona preparada, zona tratadaquımicamente, galga, galga recogida con tira adhesiva, galga en la tira al trasluz, galgapresentada y ajustada en el eje a medir, aplicacion de cianoacrilato, aplicacion de presiondurante 8 minutos.

2.2. GALGAS EXTENSIOMETRICAS 13

En la figura 2.4 se puede ver cual es el proceso de instalacion de una galga extensiometri-

ca.

En primer lugar es necesario preparar mecanicamente la zona en la que se va a

instalar la galga. Para ello, en este caso se ha lijado la zona para eliminar el barniz

protector, despues se ha pulido a mano con lija de agua, de granos 350 y 500.

Tambien se ha hecho una preparacion quımica con el fin de neutralizar cualquier pro-

ducto quımico que pudiese encontrarse allı y que pudiese reaccionar con el cianoacrila-

to. Siguiendo recomendaciones de expertos en la materia, se aplico una solucion

acuosa de acido fosforico, seguida de amoniaco (base, neutralizador).

Tras ello se ha colocado la galga en una tira transparente de papel adhesivo. Esto

permite alinear facilmente el eje de la galga con el del papel, y posteriormente con el

eje a medir. Como se deriva de su principio de funcionamiento, la galga sera inefectiva

a deformaciones transversales (proporcionalmente inefectiva a su numero de zigzags).

Se ha presentado la galga en la zona a medir, y se ha ajustado su eje para que

coincida con el eje en el que se desea medir la deformacion.

Se ha aplicado cianoacrilato a la galga y al cuadro y se ha aplicado presion durante

8 minutos.


Habitualmente estos sensores se acondicionan mediante un puente de Wheatstone, que

es la opcion que se ha tomado en este proyecto. El circuito en cuestion es el siguiente,

mientras que su amplificacion se detallara posteriormente.

Figura 2.5: Circuito del puente de medida.

Cabe destacar el por que del amplificador operacional en configuracion de seguidor.

Si bien el puente se puede conectar directamente a la salida del regulador lineal dedicado

en exclusiva a alimentar el acondicionamiento de senal (como se explicara en la seccion

2.5.3), existe un problema de tipo practico. En dicha seccion se explicara el por que de la

sugerencia en cuestion.

2.3. SENSORES DE POSICION 15

2.3. Sensores de posicion

Se desea medir la posicion de las suspensiones con precision de aproximadamente un

milımetro. Las suspensiones en una bicicleta pueden llegar a tener 250mm de recorrido.

La idea inicial fue adquirir un sensor potenciometrico lineal, idea que tambien han

tenido los ingenieros de algunos fabricantes y que actualmente emplean para sus pruebas.

Tras contactar con varios distribuidores y fabricantes, el presupuesto mas barato que se

consiguio para un sensor de las caracterısticas necesarias fue de unos 200e, por lo que se

opto por fabricar un sensor de posicion casero.

Se valoro la opcion de imitar la idea anterior empleando tinta resistiva a lo largo del

recorrido para posteriormente emplear una pica de cobre como cursor, bien directamente

sobre la tinta resistiva, o bien intercalando una plancha de cobre para no deteriorar la

tinta resistiva.

Esta idea se descarto debido a que implicaba una complejidad elevada que podıa derivar

en fallos posteriores.

Finalmente se ideo un sensor optico basado en un medio de transparencia.

El sensor esta basado en un diodo emisor y otro receptor (el par de diodos emisor y SFH203

[16]), ambos infrarrojos.

El principio de funcionamiento es sencillo. Sobre un folio de plastico (de los empleados

en las transparencias clasicas, o en los fotolitos para la fabricacion de placas de circuito

impreso), se imprimio con una impresora laser un gradiente lineal (fig. 2.6) desde negro a

“blanco” (transparente). Esta impresion se intercala entre ambos diodos, de tal forma que

en funcion de en que lugar del gradiente este la lınea imaginaria que une los dos diodos,

se bloqueara menor o mayor cantidad de luz, y por tanto la tension a la salida del sensor

sera proporcional a la posicion relativa de ambas piezas.

Gracias a que el gradiente es lineal, la relacion entre la cantidad de luz bloqueada y

la posicion en el gradiente, tambien es lineal. Puesto que tras el diodo receptor hay un

amplificador (detallado posteriormente) que tambien es lineal la salida del sensor tambien


es lineal con respecto a la posicion. Esto es ası porque la relacion entre la corriente generada

por el fotodiodo receptor y la intensidad de la luz recibida, es lineal.

Para montar el sistema y adecuarlo a los requisitos mecanicos, se opto por emplear dos

tubos coaxiales de PVC, de diametros y secciones tales que uno pueda deslizarse dentro de

otro con una holgura inferior o igual al milımetro, pero suficiente para que el deslizamiento

se de sin problemas.

El tubo exterior alberga los diodos enfrentados, mientras que el interior alberga la trans-

parencia, colocando su superficie de forma diametral en su interior. Para que la luz pueda

transmitirse entre los diodos cuando los tubos se deslizan uno dentro del otro, se han

practicado dos hendiduras alargadas en el tubo interior.

Ademas, como la longitud de los diodos es superior a la seccion del tubo exterior, las

hendiduras actuan a su vez como raıles para ambos tubos.

Se muestran algunos detalles de la construccion en las figuras 2.7 2.8 y 2.9


Figura 2.6: Gradiente empleado en el sensor de posicion del amortiguador

Figura 2.7: Tubo exterior alojando dos diodos enfrentados


Figura 2.8: Tubos coaxiales insertados. Los diodos actuan como raıl.

Figura 2.9: Detalle del gradiente alojado en el tubo interior


El diodo receptor se emplea, como podemos ver en la figura 2.10 en configuracion no

polarizada (zero bias) para evitar la corriente de oscuridad que producirıa un punto de

trabajo distinto de cero, y la adicion de una tension de alimentacion negativa para dicha

polarizacion. Aunque es una practica habitual, la principal ventaja de un punto de trabajo

negativo en el receptor es aumentar la frecuencia maxima de conmutacion, algo que queda

lejos de lo que vamos a exigir de el en esta aplicacion.

Figura 2.10: Circuito empleado para amplificar la senal del fotodiodo receptor

Para estudiar la influencia de los 11pF de capacidad del diodo receptor[16] se sometio el

circuito a senales cuadradas de diversa amplitud aplicadas al emisor. El circuito fue capaz

de reproducir fielmente senales de frecuencias varios ordenes de magnitud mayores del

doble de las que pretenden medirse, por lo que se asume que la capacidad parasita del

fotodiodo no tiene influencia en nuestra aplicacion por ser esta de baja frecuencia.

A continuacion, tratamos la caracterizacion del sensor de la horquilla.

Se trata de un sensor de 130mm, el plastico se imprimio en una impresora laser HP

laserjet 1200 con toner gastado, lo cual presenta varias desventajas, apreciables tambien

en la figura 2.11.

Imperfecciones visibles: Es habitual al imprimir con una impresora laser, especial-

mente cuando su uso es intensivo y su edad no despreciable, apreciar imperfecciones

en la impresion. En ocasiones estas consisten en lıneas verticales de principio a fin

del folio en las que la impresion es menos intensa, y a veces son franjas horizontales

en las que aparece suciedad, o la impresion es menos intensa.


En ambos casos, esto no supone un problema a la hora de imprimir un texto puesto

que los caracteres suelen poder leerse, y no supone ningun problema de cara a su

interpretacion.

A la hora de fabricar este sensor, este fue el principal problema que aparecio. Se

trato de emplear una tira con un gradiente imperfecto, pero los resultados eran

difıciles de linealizar, puesto que las no linealidades suponıan cambios de monotonıa

y seguıan un patron irregular.

Transparencia: Debido al mal estado del toner, y a la finalidad para la que se fab-

rico este ası como la propia impresora, imprimir en negro sobre una transparencia

no significa obtener un trozo de material opaco.

Cuando se fabrican placas de circuito impreso imprimiendo sobre este material, en

ocasiones se imprimen 2 copias del mismo fotolito con el fin de alinearlas y hacer

mas opaco el material.

Moire: Se trato de emplear el metodo anteriormente descrito para solucionar el prob-

lema, ante lo que aparecio otro problema nuevo. Se trato de emplear de dos formas

diferentes, y ambas resultaron inutiles. Tanto al imprimir dos copias y alinearlas,

como al tratar de imprimir dos veces sobre el mismo soporte, aparecıan patrones de

Moire[23] que hacıan el gradiente bello pero inutil.

Finalmente se opto por trazar las zonas que la impresora era capaz de imprimir sin

muchas imperfecciones e imprimir el gradiente tratando de aprovechar ese area.

El resultado, que se puede apreciar en la figura 2.12 fue satisfactorio, dados los medios

empleados.

Una vez construidos los sensores y tras el acondicionamiento correspondiente, los errores

maximos medidos para una caracterizacion en pasos de 0.5cm para el sensor de la horquilla:


Maximo error (V): 35.4mV

Maximo error (mm): 2.74mm

Error medio (V) : -3.9mV

Mientras que para el sensor del amortiguador:

Maximo error (V): 34.1mV

Maximo error (mm): 2.2mm

Error medio (V) : -0.7mV

Figura 2.11: Patrones de Moire en el gradiente del sensor de posicion. Arriba, patronesal sostener unidos dos gradientes no demasiado imperfectos (en los que se puede apreciaruna raya negra vertical en la parte izquierda). Abajo, patrones al imprimir dos veces sobreel mismo soporte


Figura 2.12: Grafico de la respuesta de los sensores de posicion para pasos de 0.5mm

(horquilla) y 4mm (amortiguador)

2.4. MICROCONTROLADOR. PLACA DE DESARROLLO 23

2.4. Microcontrolador. Placa de desarrollo

La placa de desarrollo (figura 2.13) en cuestion es la lanzada por Silicon Labs para su

proyecto MCUniversity [11]. Toda la informacion, incluidos esquemas, esta disponible en

su guıa de usuario [12].

Figura 2.13: Placa de desarrollo empleada

Se trata de una placa de desarrollo basada en el microcontrolador C8051F020 de la

misma casa. Cuenta con 64KB de memoria flash y 4KB de RAM, pertenece a la categorıa

llamada analog intensive por parte del fabricante. Toda la informacion puede consultarse

en su datasheet [13], no obstante resaltaremos los perifericos de mayor interes:

ADC: 12bits, 100ksps, ±1LSB INL, 8 entradas multiplexadas (solo 2 ruteadas en la

placa de desarrollo), amplificador programable.

Referencia analogica: Referencia analogica band-gap de 1.2V con buffer de ganancia

2V/V.


DAC: 12 bits de resolucion.

Debugger integrado.

Periferico SPI.

Periferico UART.

Se han hecho modificaciones sobre el esquema original de la placa [12], desoldando

algunos componentes. Se han desoldado los condensadores C4 y C5 (filtro de entrada al

ADC) debido a que estos estan calculados para una resistencia (potenciometro) con la que

contaba la placa. Se han desoldado tambien dicho potenciometro, R8, y los resistores R9

y R10, para tener acceso libre a las dos entradas del ADC que la placa tiene ruteadas.

La placa cuenta con microinterruptores y botones que pueden ser de gran utilidad.

Desafortunadamente, otra placa PCB se conecta a esta a traves de los pines visibles y

dificulta el acceso a estos. Por ello, se ha soldado una extension hasta un boton externo,

cuya funcionalidad se describira en la seccion dedicada al software. Los microinterruptores,

quedan tambien inutilizados.

Esta placa permite hacer el debug con el ToolStick de la propia casa que, al adquirir el

kit del proyecto MCUniversity, se proporciona.

Se describen en mas detalle alguno de los perifericos, con el fin de comprender mejor la

estructura del dispositivo en las secciones sucesivas.

2.4.1. ADC

Se empleara uno de los dos ADC con los que cuenta el microcontrolador, concretamente,

el ADC0 (fig 2.14).


Figura 2.14: Diagrama funcional del ADC0, el empleado en el dispositivo

Como se aprecia en la figura, se trata de un ADC de 12 bits de resolucion, que emplea el

metodo de aproximaciones sucesivas. El resto de detalles de su funcionamiento se tratara en

las secciones posteriores.

Es remarcable que debido al diseno de la placa de desarrollo, la tension de referencia a

emplear en el ADC sera la tension del generador interno de banda prohibida, con la que

se emplea el buffer interno de 2V/V para obtener un fondo de escala de 2.4V.

2.4.2. SPI

Para la comunicacion con la memoria flash serie se empleara el bus SPI con el corre-

sponiente periferico (fig 2.15) del microcontrolador.


Figura 2.15: Diagrama funcional del periferico SPI

El bus SPI esta ampliamente documentado [17] [13], no obstante se recuerda a traves

de la figura 2.16 el principio basico de su funcionamiento.

Figura 2.16: Esquema de funcionamiento del bus SPI


En el bus existen los roles de dispositivo maestro y dispositivo esclavo. Estos roles o

bien estan predeterminados (la memoria serie que se emplea en este dispositivo solo puede

ser esclavo en el bus), o bien se selecciona mediante la lınea de entrada NSS, que en el

escenario del esquema es gestionada mediante un pin de un puerto de proposito general

para el dispositivo de la derecha (esclavo), y esta conectada a alimentacion (1 logico) en

el dispositivo de la izquierda, que por tanto sera siempre maestro del bus.

El cometido del maestro del bus es proporcionar la senal de reloj que gobernara las trans-

misiones.

En el caso de la memoria serie empleada, no existen las siglas MOSI (Master Out, Slave

In) ni MISO (Master In, Slave Out) debido a que la memoria solo puede ser un dispositivo

esclavo. Sus lıneas son por tanto SI y SO.

En el caso del microcontrolador empleado, para iniciar una transmision basta con escribir

un dato en el registro SPI0DAT. Si se desea transmitir un dato, se escribe en dicho reg-

istro. Cuando se debe recibir un dato, al ser el microcontrolador el maestro del bus, debe

imponer el reloj en el bus. Para ello, se escribe cualquier dato (dummy) en el registro, y

el esclavo se encargara de que se reciba en la lınea MISO del microcontrolador, donde me-

diante el registro de desplazamiento se escribira en el registro SPI0DAT para su posterior

lectura.


2.5. Placa auxiliar

Para alojar el acondicionamiento de senal, la memoria en la que se almacenan los datos

y la regulacion de la alimentacion, se ha hecho una placa PCB que encaja mecanicamente

con la descrita anteriormente. Para ello se han medido las distancias correspondientes con

un calibre, y se ha poblado y ruteado la placa con los componentes empleando el software

Eagle en su version libre.

Debido a que parte del proyecto se ha desarrollado en una temporada en la que los

laboratorios de la escuela no estaban disponibles, se ha empleado hardware casero para

insolar la placa (fig 2.18). Este consiste en un viejo escaner reconvertido a insoladora

mediante la disposicion en retıcula de diodos ultravioleta y la interposicion de dos papeles

translucıdos entre estos y el cristal, con el fin de hacer uniforme la intensidad de la luz en

la zona de insolado. El resultado fue satisfactorio (fig 2.17).

Se han empleado quımicos en concentraciones estandar para el procesado (hidroxido de

sodio, peroxido de hidrogeno y acido clorhıdrico).

Figura 2.17: Detalle de la construccion de la placa PCB tras la fase de revelado de la resina

polimerizada. La huella mostrada es µSOIC, con pitch de 0.5mm

2.5. PLACA AUXILIAR 29

Figura 2.18: Diseno de la placa auxiliar en el software Eagle

2.5.1. Memoria

Como se cito en la seccion dedicada al diagrama de bloques, los datos se almacenan en

una memoria flash serie que funciona mediante el bus SPI [17].

La eleccion fue la memoria SST25VF032B de la casa microchip debido a que se alimenta

a 3.3V, su precio es de 1.8e para un pack de 2, su capacidad es suficiente, el encapsulado

es SOIC8 y cuenta con un comando especial llamado AAI (Auto Address Increment)[18]

del que se extrae un detalle en la figura 2.19.


Figura 2.19: Cronograma del comando AAI.

En las memorias flash serie normalmente es necesario enviar un comando antes de traba-

jar con los datos, por ejemplo, a la hora de escribir un byte en una posicion de memoria.

En la mayorıa de memorias es necesario enviar un comando para indicar que se desea

escribir un byte, los bytes necesarios para especificar la direccion correspondiente, y el/los

byte/s correspondiente/s.

El comando AAI esta disenado para aplicaciones como la presente, en la que se necesita

escribir bytes de forma continua en direcciones de memoria contiguas.

Para ello se envıa el comando AAI seguido de la direccion de comienzo y los 2 primeros

bytes de datos. Tras ello, para continuar escribiendo en la memoria, tan solo es necesario

enviar el comando AAI y 2 bytes de datos. El hecho de que sean 2 resulta beneficioso en

este proyecto debido a que los datos se almacenaran en grupos de 16 bits.

Para terminar de escribir en este modo, se envıa el comando Write Disable).

Para leer de la memoria se usa el comando de lectura. El microcontrolador actua en todo

momento como master (la memoria ni siquiera tiene posibilidad de actuar como master) del

bus. Una vez se envıa el comando de lectura y la direccion desde la que se desea comenzar

a leer, solo es necesario proporcionar el reloj a la memoria para que esta proporcione el

dato en su lınea SO (MISO del microcontrolador). Para ello, el microcontrolador debe

poner un dato cualquiera (dummy) en el registro del periferico, como se explicara en la

seccion correspondiente, y que la memoria ignorara.


Como se aprecia en el cronograma anterior, es necesario esperar un tiempo determinado

(TBP ) para la correcta programacion del byte. Dicho tiempo es 10µs [18], y se respeta

debido a que se escribe periodicamente una vez cada vez que se convierte un dato en

el ADC, y esto sucede cada 166µs gracias a la temporizacion gestionada a traves de un

timer, como se detallara en la seccion correspondiente. No obstante, de cara a modificar

la frecuencia de muestreo, se emplea el metodo software para detectar que la escritura se

ha finalizado, muestreando el estado de un bit del registro de estado de la memoria.

Atendiendo a las caracterısticas del ADC y las de la memoria se deduce que por cada

muestra quedaran 4 bits sin emplear. Este es un tema que se tratara en el capıtulo posterior.

2.5.2. Acondicionamiento de senal, electronica analogica

La parte de acondicionamiento de esta placa consiste basicamente en la amplificacion

de la senal de los puentes de las galgas extensiometricas (fig 2.20).

Figura 2.20: Acondicionamiento de senal presente en la placa auxiliar.


Los puentes que acondicionan las galgas extensiometricas se multiplexan en un multi-

plexor analogico, el ADG707 (fig 2.21).

Figura 2.21: Caracterısticas principales del multiplexor diferencial

Como se ve en las caracterısticas y en su datasheet [19], los tiempos son suficientemente

rapidos (se tomara una muestra, y por tanto se multiplexara, cada 166µs). La resistencia

ON resistance es suficientemente baja, y ademas, la impedancia que esta resistencia verıa

es la de entrada del amplificador de instrumentacion, por lo que esta resistencia de por

sı es poco problematica.

La senal de los puentes de las galgas se amplifica en un amplificador de instrumentacion,

el AD8223[21] (fig 2.22).

Figura 2.22: Caracterısticas principales del amplificador de instrumentacion.


Cuenta con una densidad espectral de voltaje de ruido contenida y es de bajo consumo.

Se configura para una ganancia de 200V/V.

Su entrada de referencia esta gobernada por un DAC del microcontrolador. Su finalidad es

la de ubicar la amplificacion de la salida del puente teoricamente en equilibrio en un punto

util para medidas dinamicas, ya que en la mayorıa de los puntos en los que se coloque un

sensor extensiometrico interesara hacer medidas tanto en traccion como en compresion.

El puente de medida de una sola rama activa (configuracion empleada por motivos

economicos) presenta una no linealidad, no obstante, esto no es problematico al medir

empleando galgas extensiometricas gracias a que la no linealidad que estas presentan es

opuesta a la del puente, de tal modo que habitualmente no se presta atencion a este punto

[15].

Esta tension se amplifica 10 veces con un amplificador operacional de proposito general[22],

de tension de alimentacion unipolar y compatible con 3.3V, voltage swing de raıl a raıl y

bajo consumo. Se ha configurado con una ganancia de 10 V/V, y su salida se filtra con un

filtro RC de primer orden con una frecuencia de corte de 50Hz.

En lo relativo a los sensores de posicion, la electronica presente en esta placa se limita

a un multiplexor simple[20] (fig 2.23).

Figura 2.23: Caracterısticas principales del multiplexor ADG704


Pertenece a la misma familia que el ADG707, y sus caracterısticas de tiempos y resisten-

cias son similares.

No hay ninguna electronica adicional ya que la senal que proporcionan los sensores es

util.

2.5.3. Alimentacion

Se han empleado reguladores lineales TLV1117-33[24] (fig 2.24) de la casa Texas Instru-

ments, que proporcionan una tension de 3.3V

Figura 2.24: Circuito empleado (recomendado) para los reguladores lineales.

Los condensadores son de tantalo, tal y como recomienda Texas Instruments, con el fin

de asegurar la estabilidad del regulador. El diodo sirve de proteccion ante cortocircuitos

en la entrada.

Se han empleado dos reguladores identicos. Uno alimenta a la electronica analogica, y

otro a la placa de desarrollo y a la memoria. Se ha hecho esto con el fin de mejorar la

calidad de la senal analogica. La masa de la placa de desarrollo y de la memoria es inde-

pendiente de la masa analogica, y estan unidas por una vıa, como se puede ver en la parte

superior derecha de la cara top de la placa (capıtulo anterior, y anexo).


Figura 2.25: Consideraciones termicas y de potencia del regulador lineal.

Siguiendo la consideracion (3) de la figura 2.25, y tomando 125C como lımite de tem-

peratura, obtenemos que PD(max) =TJ(max)−TA

θJA= 0,8W . Suponiendo que alimentamos el

sistema con una baterıa de 9V, los reguladores tienen una tension de dropout impuesta de

9 − 3,3 = 5,7V . Puesto que P = V · I, la corriente maxima que pueden proporcionar los

reguladores (individualmente) al estar alimentados con esa baterıa es I = PVdropout

= 0,14A

Los puentes de medida de las galgas extensiometricas consumen 3,3(120//120)·2 = 27,5mA,

por lo que sin contar con el resto de la electronica analogica, el regulador solo podria ali-

mentar 5 puentes de medida. Por ese motivo, como se mostro en la seccion correspondiente,

se propone que la corriente para los puentes la proporcione un amplificador operacional,

pese a que esto no se ha llevado a cabo dado que el regulador correspondiente puede

alimentar 2 galgas con total normalidad.


2.5.4. Conversor UART - USB

Se ha empleado una placa basada en el chip CP2102 [25] de la casa Silicon Labs.

Figura 2.26: Placa conversora UART - USB. c©disik

La placa (fig 2.26)contiene la electronica necesaria para hacer funcionar al CP2102 como

conversor UART - USB, ası como unos diodos que informan acerca del funcionamiento de

la placa. Se dispone de drivers en la web del fabricante [10] que permiten usar un puerto

serie virtual en el PC para manejar la informacion.

2.6. SOFTWARE EN EL MICROCONTROLADOR 37

2.6. Software en el microcontrolador

En esta seccion se describe el software presente en el microcontrolador.

En primer lugar se describira la configuracion de los perifericos empleados, ası como sus

pormenores correspondientes que no hayan sido citados ya en las secciones introductorias

previas. Posteriormente se introduce y se explica un diagrama del codigo.

2.6.1. Configuracion de los perifericos

2.6.1.1. Timer3

Se emplea este timer (fig 2.27) para temporizar las conversiones del ADC.

Su configuracion consiste en producir un overflow cada 166µs sin emplear ninguna opcion

de prescaling. Para ello, se introducen los valores de autorrecarga adecuados.

Figura 2.27: Diagrama del timer 3

2.6.1.2. Timer1

Se emplea este timer para temporizar el periferico UART1, que se encargara de trans-

mitir los datos al PC para su visualizacion (a traves del conversor a USB y del puerto

serie virtual previamente mencionados).

Se configura para conseguir temporizar el UART1 para transmitir con un baudrate[26]

de 115200bps. Para ello, se emplea su modo 2 (8-bit Counter/Timer with Auto-Reload),

cuyo diagrama se muestra a continuacion (fig 2.28).


Figura 2.28: Diagrama del timer 0 (equivalente al timer 1) en el modo 8-bit Counter/Timer

with Auto-Reload

2.6.1.3. UART1

El dispositivo UART1 (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter 1, fig 2.29) se

emplea para transmitir los datos al PC a traves del conversor mencionado previamente.

Se trata de un dispositivo UART estandar, como se puede ver en su diagrama, que

cuenta con deteccion de errores y posibilidad de comunicacion multiprocesador.

Su baudrate es controlado por el timer 1, y esta configurado para que este sea de

115200bps. Para ello, se usa en el modo 8-Bit UART, Variable Baud Rate.


Figura 2.29: Diagrama del UART1

2.6.1.4. SPI

Se activa el dispositivo y se configura como maestro. Se configura la fase y la polaridad

de los datos y el reloj de modo que la memoria sea compatible con ellos (Se toma el dato

en el primer flanco del periodo de reloj, y la lınea de reloj estara a 0 en desuso).

El diagrama del periferico esta presente en la seccion relativa al microcontrolador, donde

se hizo una introduccion al uso del bus SPI.

2.6.1.5. Tension de referencia

Debido al diseno de la placa de desarrollo, se usa la tension de referencia interna (fig

2.30) como tension de referencia para el DAC y el ADC.


Como se cito en apartados previos, se trata de una tension de referencia mediante banda

prohibida (bandgap)[27], con una deriva de 15ppm/C.

Se configura con el buffer de ganancia 2V/V para obtener un fondo de escala de 2.4V.

Ademas, gracias al diseno de la placa de desarrollo, se cuenta con los condensadores

recomendados para la tension de referencia[12].

Figura 2.30: Diagrama de la tension de referencia interna

2.6.1.6. ADC0

Se ha empleado una frecuencia de aproximadamente 1MHz para el reloj de la conversion

por aproximaciones sucesivas (frente a los 2.5 por defecto) con el fin de mejorar la precision.

El buffer de entrada se emplea con ganancia 1.

Se usa un modo de tracking continuo (fig 2.31) para la conversion por aproximaciones

sucesivas.

Se comienza una conversion cuando se produce un overflow en el timer 3.


Figura 2.31: Temporizacion en el ADC0. Se aprecia la diferencia entre el modo de tracking

continuo(abajo), y el de tracking en conversion(arriba)

2.6.1.7. DAC0

El DAC (fig 2.32) se emplea, aplicado a la entrada de referencia del amplificador de

instrumentacion, para conseguir situar la salida de este, con el puente en reposo, en un

punto util para medidas de extensiometrıa en compresion y en traccion, ası como en torsion

positiva y negativa en su caso.

Figura 2.32: Diagrama del DAC0

Su valor se actualiza con la escritura en el registro DAC0H empleando un latch, como

se puede apreciar en la figura.


2.6.1.8. Crossbar

El microcontrolador empleado cuenta con un recurso llamado digital crossbar, que per-

mite una gran flexibilidad en la asignacion de perifericos a pines fısicos (externos) del

micro.

Dada una prioridad establecida para los perifericos, es posible elegir los que se desea

usar para mantener el resto de pines de los cuatro puertos mas bajos como entradas de

proposito general. Es decir, existen perifericos que no tienen pines dedicados, sino que se

asignan mediante el crossbar.

Pese a esto, se puede acceder a los registros de los perifericos mediante sus direcciones

prestablecidas, independientemente de donde este situado en el crossbar el periferico en

cuestion. Su configuracion y esquema se muestran en las figuras 2.33, 2.34 y 2.35.

Figura 2.33: Esquema de los puertos bajos (0,1,2 y 3) del micro


Figura 2.34: Orden de prioridad de los dispositivos en el crossbar

Figura 2.35: Configuracion del crossbar empleada. Se rutea la UART0 por motivos del

diseno de la placa de desarrollo, y se aprecia en la parte inferior la configuracion de los

puertos como P (push pull) o como O (drenador abierto). Los dos pines configurados como

P en el puerto 1 controlan el Chip Select de la memoria, y el multiplexor de los sensores

de posicion. 3 pines del puerto 2 hacen lo propio con el multiplexor diferencial.


2.6.2. Programa

El programa sigue el siguiente diagrama de flujo (fig 2.36):

Figura 2.36: Diagrama de flujo del programa del microcontrolador


Se procede a explicar sus bloques.

2.6.2.1. Inicializacion

La inicializacion consiste, por una parte, en aplicar a los perifericos las configuraciones

previamente descritas. Existe tambien cierto codigo adicional necesario para el correcto

funcionamiento del micro en la placa de desarrollo y en el propio programa, a saber,

desactivacion del watchdog, configuracion del oscilador y configuracion de los puertos para

adecuarse al diseno de la placa de desarrollo (botones, leds y microinterruptores).

Por otra parte, se configura la memoria serie. Esto consiste en una serie de acciones

resumida en la figura 2.37.

Es necesario editar el registro de configuracion, ya que en el encendido se cargan unos

valores que impiden la escritura secuencial de toda la memoria. Para escribirlo es necesario

ejecutar previamente el comando de habilitacion de escritura, ası como el de habilitacion

de escritura del registro de configuracion.

Tambien es necesario borrar el chip al completo debido a la tecnologıa que emplea la

memoria flash. Solo podran escribirse valores en celdas con el valor 0xFF , que es el valor

que adquieren todas al borrar el chip completo.

Por ultimo, se inicia el modo AAI, explicado en la seccion relativa a la memoria. En esta

parte de la configuracion, es necesario enviar los comandos que aparecen en el diagrama

de flujo, y que se pueden consultar en la figura 2.19, en la pagina 30.

Como se puede apreciar, es necesario habilitar la escritura tras una opracion de escritura,

no obstante, en comando AAI no es necesario hacerlo para escribir un nuevo dato.


Figura 2.37: Secuencia de acciones necesaria para inicializar la memoria

Por ultimo, en la inicializacion, se ejecuta una funcion necesaria para que, como se

cito en las secciones relativas a la descripcion del DAC y de la parte de instrumentacion

de la placa auxiliar, se pueda emplear el DAC para que las medidas de extensiometrıa

sean utiles para una deformacion positiva o negativa de la galga.


En esta parte de la inicializacion, se sigue el siguiente diagrama de flujo.

Figura 2.38: Secuencia de acciones necesaria para la obtencion de los valores

En el diagrama aparecen dos esperas. La primera es debida a un fenomeno inherente

a las galgas extensiometricas. Como se explico en la seccion correspondiente, una galga


extensiometrica es basicamente un patron de cobre muy fino que reside sobre un trozo de

aislante.

Al ser su espesor (y por tanto su seccion) ınfimo, habitualmente en el orden de las decenas

de micrometros[15], el calentamiento por efecto Joule[28] es importante. El efecto Joule

consiste en la generacion de una determinada cantidad de calor cuando una determinada

corriente atraviesa un conductor con una determinada resistencia. En este caso el calor

generado ha de ser disipado por un volumen de conductor ınfimo (aproximadamente el

producto del numero de vueltas del serpentın, la longitud de este y la seccion de la galga).

Los metodos para calcular los errores por este efecto son poco definidos, ya que existe

una gran dependencia con como la galga se adhiere al metal, por lo que habitualmente se

emplea una tension de excitacion tıpica para un puente tipo [15].

Debido a que la temperatura de la galga antes del encendido es inferior a la que tendra de-

spues de que alcance el equilibrio termico con la corriente (I = VR = 3,3

120·2 = 13,75mA)

atravesandola, se ha dejado transcurrir un tiempo para que el equilibrio termico (teorica-

mente alcanzado tras transucurrir una cantidad infinita de tiempo) se aproxime suficien-

temente. Dicho tiempo se ha establecido de forma empırica y es suficiente debido a que el

sistema en cuestion se pretende emplear para hacer medidas dinamicas de deformaciones

que toman un periodo de tiempo muy corto (del orden de decimas de segundo), tiempo

en el que las variaciones por calentamiento no afectan a la medida.

El motivo por el que no se busca el punto intermedio exacto en el fondo de escala para

ubicar la salida de los amplificadores con el puente en equilibrio, es el mismo.

Con el tiempo la galga se ira calentando y el punto de equilibrio aparecera en un lugar u

otro (dentro de unos lımites razonables) del rango dinamico.

El metodo empleado en el programa para buscar el punto central del rango de escala con-

siste en atender solo a los 4 bits mas altos del resultado de la conversion analogico/digital.

Puesto que se comienza desde el punto mas alto del rango de escala y se pierden los 8

bits mas bajos, esto siempre ubicara el punto en cuestion por debajo del punto central del

rango de escala.

2.7. SOFTWARE EN EL PC 49

Dado que se conoce que va a existir una deriva termica dependiente del tiempo en las

galgas, se pueden colocar las galgas en la rama adecuada del puente para que segun avan-

za el tiempo la salida en equilibrio se vaya aproximando a ese punto (y eventualmente lo

rebase), habiendo estado ası la mayor parte del tiempo alrededor del punto medio.

La segunda espera presente en el diagrama existe para que los amplificadores puedan

adoptar la tension a su salida de forma permanente y que el slew rate de estos no afecte

a la medida que se hace a continuacion.

El codigo completo puede consultarse en el anexo ?? donde se encuentra comentado.

2.7. Software en el PC

Se ha empleado la version de estudiante de LabView para la parte que se desarrolla en

el PC, es decir, la recepcion de los datos, su tratamiento para extraer la informacion util

y su mostrado grafico.

2.7.1. Introducion basica a LabView

LabView es un entorno de desarrollo altamente productivo que los ingenieros y cientıficos

utilizan para la programacion grafica y la integracion de hardware sin precedentes, para

disenar y desplegar rapidamente sistemas de medidas y control.[29]

Labview ha sufrido una profunda transformacion desde sus inicios, pese a mantener

intacta su esencia, y actualmente permite desarrollar proyectos sencillos (computacion y

entrada/salida basica. . . ) ası como algunos muy complejos (Procesado de senal a gran

escala, manejo de buses y redes de maquinas. . . ).

Debido a que la esencia se ha mantenido en LabView, original y actualmente centrado

en el manejo de instrumentos, los programas que se generan en este se denominan VIs

(Virtual Instruments).

Un VI consta de dos partes fundamentales, un panel frontal y un diagrama de bloques.


Puesto que se trata de una introduccion basica, se podrıa entender el diagrama de bloques

como el codigo del programa, y el panel frontal como su interfaz. De hecho, en muchas

ocasiones un panel frontal de LabView es un autentico HMI (Human-Machine Interface),

puesto que es el nexo entre la persona que desea interaccionar con un determinado proceso

y el proceso en sı, sea dicho proceso totalmente interno a LabView, o bien sea LabView

un controlador de una serie de procesos externos o un nexo entre ambos.

LabView es ademas altamente modular. Un VI, que como si fuese una funcion clasica

en un programa puede tener entradas y salidas, puede llamar a otros VI pasandoles infor-

macion y recuperando la salida. Esto es util de cara a hacer tests modulares de partes de

un proceso y de cara a integrar propiedad intelectuada ya creada.

Toda la informacion necesaria acerca de LabView puede encontrarse en la web de Na-

tional Instruments [29].

2.7.2. Vista general y partes principales

En la figura 2.39 se muestra el aspecto del diagrama de bloques del VI principal.

Las partes principales se pueden identificar en la figura.

En la parte superior, el case en torno a un VI dedicado a la adquisicion de los datos, se

encuentra lo necesario para obtener los datos guardados en la memoria ubicada en la placa

auxiliar.

Se puede observar un hilo que sale de ese case y que se conecta a un VI, en el se desarrolla

el tratamiento necesario para obtener los datos utiles a partir de los datos almacenados

en la memoria.

Tras ello se encuentra la parte relativa a la representacion grafica de los datos.

A continuacion se describiran los VI empleados dentro de este diagrama para posterior-

mente regresar a el y a su panel frontal.


Figura 2.39: Diagrama de bloques general del VI


2.7.3. VI de adquisicion

En la figura 2.40 se muestra el VI empleado para recibir los datos almacenados en la

memoria.

Consta del envıo de una serie de caracteres tras los cuales el microcontrolador envıa

unos datos, son los datos correspondientes al numero de sensores medidos, el numero de

muestras obtenidas, y las muestras en bruto.

Como se puede apreciar observando el codigo del programa del microcontrolador y las

caracterısticas del ADC, en conjunto con las de la memoria serie, las muestras del ADC

han de guardarse en la memoria en dos fragmentos de ocho bits.

Siendo el ADC de 12 bits, esto implica 4 bits vacıos por cada muestra, no obstante estos

bits no son inutiles ya que pueden emplearse para guardar informacion de otro tipo de

sensores, lo cual se tratara como futura mejora en el capıtulo proximo.

El numero de muestras adquiridas, recibido tambien de octeto en octeto, se opera para

obtener el numero de muestras total obtenido.

El numero de sensores se opera con la frecuencia de muestreo para obtener el periodo de

muestreo

Posteriormente se reciben, uno a uno, los octetos con los datos obtenidos de los sensores.

Se activa una barra de progreso para indicar visualmente el avance de la adquisicion, y se

emplea una referencia para actualizar el panel frontal.


Figura 2.40: Diagrama de bloques del VI de adquisicion


2.7.4. Procesado de los datos

Como se deduce del codigo, los datos que se recibiran seguiran la estructura que se

muestra en la figura 2.41. Debido a esto, es necesario procesarlos para obtener por separado

los datos utiles de cada muestra, y los datos de cada sensor por separado.

Figura 2.41: Estructura de los datos en la memoria y resultado tras el procesado

Figura 2.42: Diagrama de bloques general del VI de procesado

Para ello se emplea el VI mostrado en la figura 2.42.

Este diagrama de bloques integra otros dos VI, se presentan en dos secciones.


Una vez se dispone de los datos de los sensores adecuadamente ordenados y de arrays

utiles de informacion de sensores binarios, el VI genera un array consistente en los datos de

todos los sensores incluyendo los de los sensores binarios. El VI tambien tiene una salida

que indica el numero de graficos (trazas) a mostrar. Este numero es diferente dependiendo

de si se estan empleando este tipo de sensores o no, y cuantos. De ahı la deshabilitacion

de parte de codigo del programa.

2.7.4.1. Diezmado de datos binarios

El array de datos booleanos correspondiente a uno de los posibles sensores binarios, al

contrario que los sensores muestreados analogicamente, no tiene una muestra por cada ciclo

de muestras, sino que tiene n muestras por cada ciclo, siendo n el numero de sensores. Esto

es debido a que se toma una muestra de el en cada adquisicion analogica. Por tanto, de

cara a que todos los sensores tengan el mismo numero de muestras adquiridas, se diezman

sus muestras conforme al diagrama de datos mostrado en la figura 2.43.

Figura 2.43: Diagrama de bloques del VI dedicado al diezmado de los datos de los sensoresdigitales

El metodo empleado para diezmar los datos consiste en tomarlos en bloques del tamano

del numero de sensores y hacer que la muestra sea igual a 1 si alguna de las muestras en

ese tramo lo es.


2.7.4.2. Reordenacion de los datos

Figura 2.44: Diagrama de bloques del VI de reordenacion de datos

El array de datos obtenidos de la memoria, ası como su tamano dividido entre dos (el

numero de muestras) se le envıa a un VI cuyo diagrama de bloques se muestra en la figura

2.44 y cuya accion queda descrita en su propio icono, es decir, consigue el efecto mostrado

en la figura 2.41.

Tambien proporciona otros dos arrays booleanos. Estos arrays portarıan informacion rel-

ativa a sensores binarios y su informacion se encapsularıa en uno de los 4 bits libres en los

16 bits de cada muestra de 12 bits, ocupando un bit cada sensor en tal caso.

Para conseguir el efecto deseado en los datos se emplea una funcion de labview a tal

efecto, descartandose despues la informacion almacenada en los bits sobrantes.

2.7.5. Graficos

Para mostrar los graficos en pantalla se emplea el VI mostrado en la figura 2.45.

Como se puede apreciar en el diagrama de bloques general, este VI se ejecutara cıclica-

mente cada vez que haya un cambio en la lista de canales generados (la cual se mostrara pos-

teriormente), pues es visible en el panel frontal.


Figura 2.45: Diagrama de bloques del VI dedicado al control de los graficos

En cada cambio de seleccion en la lista de canales se actualiza tanto el numero de canales

visibles en un grafico, ası como el numero de filas en unos graficos apilados. Estos graficos

se veran con mayor claridad posteriormente.

2.7.6. Panel frontal

El panel frontal se muestra en la figura 2.46.

Consta de un selector para un modo de simulacion. En este modo se pueden cargar

graficos de datos previamente guardados (como se cito previamente, se ofrece la opcion de

guardar los datos en cada adquisicion). Basta con activar esta opcion antes de hacer click

en el boton de adquisicion para cargar los datos, posteriormente habrıa que seleccionar los

canales que se desea visualizar para hacerlos visibles en la grafica.

En caso de que no se haya seleccionado dicha opcion, se enviaran los datos correspon-

dientes a la placa con el microcontrolador y este empezara a enviar datos. Aparecera una

barra de progreso como la de la figura ?? para informar del proceso. Una vez se hayan

transferido los datos, se preguntara por una ubicacion para guardarlos en un fichero (de


Figura 2.46: Panel frontal del VI principal.


forma opcional). Tras esto, se podran seleccionar los datos de los canales correspondientes

para visualizarlos en la grafica.

Existe otra pestana en el panel frontal que habilita el uso de varias graficas separadas

de forma simultanea (fig. ??), no obstante no se ha mostrado muy util en el transcurso de

las pruebas.

2.7.7. Medida de la velocidad

Uno de los sensores binarios con mas probabilidad de ser empleados en esta plataforma

es un sensor de velocidad. Se planteo uno para este proyecto, pero durante las pruebas se

mostro innecesario a la hora de interpretar los datos. No obstante, debido al posible interes

en incorporar uno a la plataforma, se ha desarrollado un VI (fig. 2.47) para el calculo de

la velocidad a partir de una serie de pulsos proporcionales al giro de la rueda, y a partir

del diametro de esta.

Figura 2.47: Diagrama de bloques del VI dedicado al calculo de velocidad


2.8. Costes

Se adquirieron los siguientes materiales.

Tipo de dispositivo Modelo Coste Cantidad

Regulador lineal TLV1117 0.6 2Amplificador operacional TLV324 0.3 1

Amplificador de instrumentacion AD8223 3.7 1Multiplexor diferencial ADG707 6.6 1Multiplexor analogico ADG704 2.8 1

Placa UART < − > USB 22 1Total 36.6

Cuadro 2.1: Costes del material

Ademas de estos materiales, fueron necesarios:

Placa de desarrollo de Silicon Labs: Se empleo una placa con la que el autor del

proyecto ya contaba, y que fue adquirida en la escuela junto con un debugger. Emplear

una placa personalizada para este proyecto ampliarıa sus prestaciones y reducirıa su

coste. El coste del 8051F020 es de unos 15 euros.

Fabricacion de la PCB: Se empleo placa y quımicos con los que ya se contaba, una

insoladora casera y herramientas de taller y de laboratorio propias.

Componentes y cables: Se emplearon componentes y cables con los que ya se contaba

Herramientas y material miscelaneo (sensores, etc): Se emplearon herramientas y

materiales con los que se contaba, a excepcion de algunos pequenos componentes

que el ferretero se nego a cobrar debido a su reducido coste.

Galgas extensiometricas: Se emplearon algunas que existıan en la escuela.

Caja: Fue fabricada con material de desecho.

Es complejo realizar un calculo preciso, pero se calcula que se podrıa comercializar un

sistema como este, con mejores caracterısticas, por unos 50 euros[30].

Capıtulo 3

Resultados y conclusiones

En este capıtulo se comentan los resultados obtenidos ası como conclusiones que se han

podido extraer de las pruebas realizadas.

La configuracion empleada consiste en dos sensores de posicion en las suspensiones y

dos galgas extensiometricas, en el tubo diagonal y en un tirante. La polaridad empleada

para cada galga (aumento de la tension bien en compresion o en traccion) se explicara en

cada apartado, para mayor claridad.

3.1. Resultados

Se ha sometido el sistema a pruebas basicas que resultan de interes.

Si bien no se trata de pruebas finales exhaustivas sobre las que sacar conclusiones muy

concretas sobre la bicicleta, son suficientes para comprobar el funcionamiento de la parte

tratada en este proyecto.

Se marcan puntos como numeros sobre la imagen, y se explica a continuacion el signifi-

cado fısico de los graficos con ayuda de esas marcas.

61

62 CAPITULO 3. RESULTADOS Y CONCLUSIONES

3.1.1. “Wheelie”

Esta acrobacia consiste en hacer rodar la bicicleta sobre la rueda trasera manteniendo

la rueda delantera en el aire [31]. Fue la primera prueba que se realizo al sacar la bicicleta

del “laboratorio” por ser emblematica. El resultado se muestra en la figura 3.1.

En 1 se ve el nivel de la horquilla antes de comenzar la acrobacia. Este nivel es totalmente

variable, depende del peso del piloto y de su posicion sobre la bicicleta. Es constante en

el tramo porque en ese lapso de tiempo nada lo perturba. Cabe destacar que la horquilla

no es perfecta y presenta histeresis, de la que se hablara mas adelante.

En 2 se produce un hundimiento acusado de la horquilla. Esto se hizo ası para poder

elevar la rueda delantera del suelo, del mismo modo que un humano se agacha previamente

a un salto, o da un paso atras para tomar impulso hacia delante.

De 3 en adelante podemos ver que la horquilla esta extendida a una longitud constante.

Esto es ası porque la rueda delantera esta en el aire. Sin ninguna fuerza que la comprima,

alcanza su maxima elongacion (que en este modelo de horquilla es variable) y la mantiene

hasta que la rueda toca el suelo.

En 4, 5, 8 y su tendencia, se pueden apreciar compresiones y extensiones del amor-

tiguador, ası como las de la galga en 6, 7 y su tendencia. Estas son las pedaladas que se

dan mientras la rueda delantera esta en el aire. Hacen que el amortiguador se comprima,

al igual que la galga, situada en este caso en el tubo diagonal.

Se ha impuesto que la tension aumente con la compresion del amortiguador (al contrario

que en la horquilla) por ser mas interesante estudiarlo ası en la grafica (tienen compor-

tamientos “opuestos”). De igual modo, la galga del tubo diagonal y la horquilla tienen

igual polaridad, puesto que sus comportamientos son “afines”.

En 9 se aprecia el efecto de que la rueda delantera de en el suelo de nuevo, compri-

miendose, y recuperandose ligeramente hasta 10, la posicion de equilibrio en ese instante.

En este punto, se aprecia una oscilacion en la galga que se discutira posteriormente.

3.1. RESULTADOS 63

Figura 3.1: Resultado de la prueba para el “wheelie”


3.1.2. Escaleras

En la presente prueba se baja por unas escaleras de 7 peldanos.

En los puntos marcados con numeros blancos en la figura 3.2 se pueden apreciar los

sucesivos hundimientos de la horquilla con los escalones. Tal y como se esperaba, se va

acumulando hundimiento en la horquilla hasta que el amortiguador entra en juego y alivia

tension de la parte delantera de la bicicleta.

El patron decreciente-creciente de hundimiento en el amortiguador es fruto de la posi-

cion sobre la bicicleta a la hora de bajar las escaleras, siendo el ultimo hundimiento mas

pronunciado debido a que en este se obliga a la bicicleta a anular su velocidad vertical

acumulada al encontrarse con el suelo.

Se aprecia algo interesante en la galga extensiometrica.

Con los primeros escalones puede verse como, tras una oscilacion que se tratara a con-

tinuacion, el tubo diagonal se va comprimiendo cada vez mas. Esto sucede hasta que

la rueda trasera alcanza el primer escalon (lo que puede verse analizando el grafico del

amortiguador). En ese punto, se puede apreciar una extension subita.

Ademas, se puede apreciar una oscilacion que se detalla en la figura 3.3. Esta oscilacion de

una frecuencia bien patente se corresponde con el modo propio de ese tubo. Determinarla,

sera util para la fase de rediseno.

3.1. RESULTADOS 65

Figura 3.2: Resultado de la prueba para la bajada de escaleras


Figura 3.3: Oscilaciones en el tubo diagonal

3.1. RESULTADOS 67

3.1.3. Aceleracion y frenada

En esta prueba se acelera y se frena subitamente, principalmente con el fin de comprobar

el efecto producido en uno de los tirantes (galga colocada en el proceso de instalacion

documentado previamente).

En los puntos 1, 2 y 3 de la figura 3.4 se aprecia como se comprime el tirante por efecto

de las pedaladas bruscas. Se aprecia tambien como en las primeras compresiones hay una

diferencia de fase con respecto a la compresion del amortiguador que disminuye posterior-

mente (por efecto de resonancia del conjunto formado por la bicicleta y el amortiguador,

con los ajustes de rebote correspondientes).

Este dato, junto con otras pruebas, puede servir para evaular cuanto favorece o cuanto

penaliza la geomterıa multipivote escogida tanto al pedaleo como a la absorcion de golpes.

En el intervalo entre estos numeros y el 4 las suspensiones (amortiguador encogido y

horquilla extendida por la aceleracion, que desplaza el centro de masas hasta la parte

trasera) vuelven a la normalidad, y la forma en la que lo hacen depende de la posicion del

piloto sobre la bicicleta.

En 4 se pulsan ambos frenos. El freno delantero hace que la horquilla se comprima

al desplazar el centro de masas hacia delante con la perdida de velocidad, mientras que

el trasero hace lo propio con el amortiguador por conservacion del momento angular del

conjunto.

De nuevo, y como en todas las pruebas realizadas, se pueden apreciar las oscilaciones en

el tubo diagonal. La diferencia entre la amplitud en la zona de aceleraciones por pedalada

y deceleracion por frenada es util para evaluar el diseno desde el punto de vista de la

transmision.

Respecto al tirante, se pueden extraer conclusiones junto al resto de las pruebas (con

resultados en los cuales no se aprecian anomalıas).


Figura 3.4: Resultado de la prueba para aceleraciones subitas

3.1. RESULTADOS 69

3.1.4. “Stoppie”

Esta acrobacia es opuesta al wheelie, puesto que consiste en levantar la rueda trasera

en lugar de la delantera [31]. Debido a que la rueda motriz es la trasera, solo se puede

contar con el momento lineal acumulado para regular esta elevacion modulando con el

freno delantero cuanto sube la rueda trasera.

Si bien esta prueba no tiene unas condiciones muy controladas y no es tan util como

pudiera ser una frenada controlada estrictamente mediante, por ejemplo, un freno asistido

hidraulicamente, sirve para comprobar que las variables se correlan como se esperaba.

En la figura 3.5 se puede observar el resultado. En 1 observamos un subito hundimiento

de la horquilla, debido a la frenada con el freno delantero que desplaza el centro de masas

hacia delante, haciendo girar la bicicleta levantando la rueda trasera para conservar el

momento angular total.

En 2 se observa como tras la compresion de la horquilla, se vuelve a un estado de reposo

mas cercano que 1. Esto sucede debido al comportamiento amortiguador de la horquilla,

que no regresa a su punto de equilibrio inicial porque ahora soporta mucha mas masa

sobre ella.

En 3 se observa, ademas de la ya conocida oscilacion, como la senal se escapa del rango

dinamico que permite medir deformaciones de hasta 700µstrains. Esto sucede debido a

que la compresion de ese tubo es muy importante debido a la frenada que elimina por

completo el momento angular de la rueda delantera. Pese a que no se ha empleado en

los tests, en la seccion dedicada al software se propone una solucion para doblar el rango

dinamico.

En 4, ademas del regreso de la horquilla a su posicion de equilibrio, se aprecia una com-

presion subita en el amortiguador (en 1 se apreciaba su extension), debido a que la rueda

trasera regresa al suelo, que se resuelve con una oscilacion subamortiguada.


Figura 3.5: Resultado de la prueba para el “stoppie”

3.2. CURIOSIDADES Y PROBLEMAS ENCONTRADOS 71

3.2. Curiosidades y problemas encontrados

En esta seccion se detallan problemas practicos encontrados a la hora de poner en marcha

el sistema. Los problemas de diseno fueron comentados previamente.

3.2.1. Aislamiento optico

Los sensores de posicion son opticos, sensibles en la banda infrarroja del espectro. Esto

supone un claro problema, seran sensible a la incidencia de luz en esta banda.

Como se puede observar en la figura 2.8, los dos diodos estan enfrentados e insertados en

un raıl. Como se explico, dicho tubo va insertado en otro cilindro, concentrico y exterior a

el. Si debido a la geometrıa y topologıa de los sensores en cuestion este raıl queda expuesto,

es decir, no cubierto por el cilindro exterior, existira una gran probabilidad de que el diodo

receptor se vea expuesto a radiacion infrarroja (luz solar, iluminacion. . . ).

En la figura 3.6 se aprecia el efecto de una iluminacion de bajo consumo colocada cerca

del sensor delantero, aun en la fase de pruebas. La frecuencia de la oscilacion se midio y

proporciono un valor de 100Hz, comun en este tipo de iluminacion [32].

Figura 3.6: Efecto de la iluminacion de bajo consumo incidiendo bajo un sensor (trazaverde, sensor optico de la horquilla). Aproximadamente a un tercio del eje de tiempo,dicha iluminacion es desconectada.


Tras esta prueba se instalaron unos protectores en la suspension, fabricados con tubulares

de rueda de bicicleta en desuso, que impiden el paso de la luz. Para mayor seguridad,

puesto que el cuerpo del diodo quedaba parcialmente expuesto (fig. 3.12), dicho cuerpo se

pinto con pintura negra mate antes de aplicarle pegamento termofusible.

Tras hacer otra prueba similar a la anterior, no se aprecio diferencia alguna entre tener

la luz encendida y tenerla apagada, con lo que el problema quedo solventado.

3.2.2. Resiliencia del sistema

Una premisa, que en un principio era una mas pero que resulto ser determinante para el

desarrollo del proyecto, fue mantener el coste bajo. La mayor parte del material, descrito

en su capıtulo correspondiente, fue reutilizado de otros proyectos o extraıdo de diversos

dispositivos electronicos.

Debido a esto, la primera vez que se monto el sistema en la bicicleta y se probo, los

anclajes de algunas partes fracasaron y el sistema quedo distribuido en diversas piezas,

algunas de ellas destruidas.

Hubo que reconstruir las piezas averiadas, en algun caso tras identificar cual era (como en

una soldadura inestable de un regulador lineal).

3.2.3. Conectores

En gran medida se ha prescindido del uso de conectores, o se han empleado conectores

que no estaban en buen estado, optandose en muchos casos por soldar directamente los

cables correspondientes a sus placas respectivas.

Esto fue ası debido a la premisa de bajo coste, mas un imperativo que un principio.

Solo se emplean conectores de calidad para las galgas extensiometricas, en un principio

se trataba de bloques terminales que podıan fijar un cable sin necesidad de tornillerıa.

Finalmente se descartaron y se instalaron bloques terminales estandar con tornillo, debido

a que se requerıa una presion excesiva para accionar los bloques sin tornillo.


El uso de conectores de calidad en todo el sistema hubiera facilitado su manejabilidad

para efectuar reparaciones o evaluaciones, incomodas con todos los cables soldados.

3.2.4. Prototipado con partes SMD

Se plantearon varias soluciones al problema de prototipar con partes SMD. Finalmente

la escogida fue la fabricacion de placas conversoras que hicieran disponibles unos pines de

insercion para poder trabajar con los circuitos integrados en placas de insercion.

Figura 3.7: Imagen de las placas tras desoldar el integrado

En la figura 3.7 se muestran las placas una vez se han desoldado los integrados, para

ello se empleo una pistola de decapar.

3.2.5. Flux

Para hacer mas facil la soldadura se empleo flux como el mostrado en la figura 3.8.

En la figura se puede ver que la procedencia es probablemente asiatica.


Figura 3.8: Flux empleado para facilitar la soldadura

Como se puede apreciar en la figura 3.7, las placas estan sucias. En el momento de

la soldadura se aplico este flux, no en demasiada cantidad pese a lo que pueda parecer

atendiendo a las fotografıas.

A la hora de soldar, el flux quedo como una pelıcula inapreciable por encima de toda

la placa, que funciono correctamente hasta que se desoldo, sin problema, el integrado

empleando la pistola de decapar.

Pasado un tiempo las placas adquirieron ese aspecto, especialmente notable en la placa

izquierda.

En la placa auxiliar final empleada en el proyecto sucedio lo mismo pese a emplearse

acetona y metanol para limpiarla tras soldar. Pasado un tiempo la parte analogica dejo de

funcionar sin motivo aparente. En la alimentacion, empleando una fuente con medidor


analogico de tension y corriente, se apreciaban picos en la ultima, de forma totalmente

irregular y de bastante intensidad.

Procediendo a buscar el problema y al observar anomalıas en la alimentacion, se presto aten-

cion sobre esta parte y se pudo observar un sonido similar a unos chasquidos distribuidos

irregularmente en el tiempo. Apagando la luz se pudo observar como se iluminaba la parte

inferior de un regulador lineal (el responsable de la alimentacion de la parte analogica).

Se procedio a desoldarlo empleando una pistola de decapar, y se aplico tension a la al-

imentacion. De nuevo la fuente suministraba corriente siguiendo el mismo patron. Tras

limpiar la zona con acetona y alcohol metılico no se volvio a detectar ese comportamiento

al aplicar tension, por lo que se sustituyo el regulador y todo volvio a funcionar correcta-

mente.

Pasada alguna semana el comportamiento volvio a repetirse y resulto estar provocado por

la misma causa, relacionada esta vez con el amplificador operacional, con el que se siguio la

misma operacion para solucionar el problema.

Con respecto al flux cabe destacar algunos hechos.

El compuesto quımico C3H3COH, segun ha confirmado un experto en la materia, no

existe. Esta mal escrito y/o ha sido inventado.

No se ha conseguido descifrar cual es el compuesto escrito en chino, aun con ayuda de

chinos y taiwaneses nativos.

En la fotografıa no se muestra la proporcion de Oxido de Zinc. Esta es 24 %, con lo que

segun la inscripcion el fabricante asegura que el 100 % del flux esta compuesto en un 105 %

de algunos componentes, algo sorprendente de no ser por la elevada probabilidad de que

sea resultado de poco cuidado al escribir la etiqueta con valores inventados.

Se extrae como conclusion la necesidad de emplear flux de calidad, o no emplearlo.


3.2.6. Circuitos apilados

Como se menciono en el capıtulo correspondiente, se han apilado dos circuitos, la placa

de desarrollo y la auxiliar.

Figura 3.9: Medios empleados para insolar la placa auxiliar, empleando para ello unainsoladora autoconstruida por companeros de la escuela reutilizando un antiguo escaner

Esto supone un problema a la hora de generar un circuito a doble cara que encaje bien

con la placa de desarrollo, especialmente con los medios empleados, mostrados en la figura

3.9. Para ello se tomaron las medidas con un calibre calibrado.

Se tomaron las medidas de interes para reproducir un circuito con la posicion de los

terminales en lugares identicos.

Para probar el diseno se imprimio en papel, como en la figura 3.10, y se comprobo que

las dimensiones eran correctas.

3.3. CONCLUSIONES 77

Figura 3.10: Comprobacion de las correctas dimensiones de la placa auxiliar. Se insertanlos pines de la placa de desarrollo, bajo el papel, en la impresion.

3.3. Conclusiones

Se ha construido un sistema de adquisicion de datos de coste muy reducido, que es capaz

de proporcionar la informacion deseada en la busqueda de la mejora de un diseno de una

bicicleta de montana de alta gama.

Se ha conseguido, con muy pocos medios y de forma mejorable con una pequena inver-

sion, que este sistema sea mecanicamente compatible con las exigencias de la disciplina.

No se han encontrado referencias a sensores de posicion como los empleados, los cuales,

gracias a conocimientos adquiridos con estos prototipos, pueden construirse y proporcionar

precision submilimetrica (con las caracterısticas mecanicas y de impresion adecuadas) a

frecuencias elevadas para longitudes de varias decenas de centımetros con un coste en el

orden de unidades de euro.

Se ha conseguido extraer conclusiones relevantes de unas pruebas muy basicas, de-

mostrando ası la utilidad del sistema en la evaluacion de problemas o posibles mejoras

en un diseno.


La escalabilidad y la industrializacion de este proyecto (de evidente aspecto de prototipo

dados los medios con los que se ha llevado a cabo) no fueron puntos primordiales a la

hora de su diseno y ejecucion. No obstante, debido a la estructura de circuitos apilados,

existencia de pines libres y uso de un bus SPI, serıa posible apilar mas circuitos que

anadiesen nuevas funcionalidades.

Por ejemplo, podrıa anadirse una nueva placa que incluyese dos acelerometros MEMS de

bajo coste, uno digital en el rango de ±8g (como el ADXL350[33]) junto a otro analogico en

el rango de ±200g (como el ADXL377[33], al igual que el otro, de la casa Analog Devices),

de forma que el de rango reducido midiese informacion util de forma constante y el de gran

rango pudiese medir solo en el caso de que se detecte una subita aceleracion (probablemente

accidental). Esto serıa realizable de forma sencilla. El ADXL350 cuenta con subsistemas

digitales y dos pines de salida para provocar interrupciones en otros dispositivos cuando se

dan determinadas condiciones. Estas condiciones resultan ser bastante versatiles (umbral,

double tap con umbral, caıda libre...), y podrıa emplearse la interrupcion de salida de este

acelerometro con dos fines, activar la electronica analogica relacionada con el acelerometro

de gran rango y activar un nuevo modo en el microcontrolador, que podrıa ser uno en el

que, ademas de comenzar a adquirirse y guardarse los datos del acelerometro de gran

rango, se aumentase la frecuencia de muestreo al maximo con el fin de obtener la mayor

informacion posible acerca de datos, a priori, poco predecibles.

Cabe recordar que solo se ha empleado un numero limitado de pines de los disponibles

en el C8051F020 debido a que los perifericos a los que estaban conectados (botones, mi-

crointerruptores, LEDs) eran poco versatiles mecanicamente o debido incluso a que los

pines no estaban ruteados. Con una placa especıfica para este proyecto se podrıa dispon-

er de muchos mas pines que podrıan habilitar distintos dispositivos del microcontrolador

(como otro DAC u otro ADC). Contando con un mayor numero de pines (ası como con

otro microcontrolador mas potente, quiza uno con nucleo ARM y gran parte de electronica

analogica, como el ADUC7026[35] tambien de Analog Devices) se podrıan crear interfaces

diferentes para emplear ADCs y frontends externos de cara a realizar medidas sobre mas

3.4. FOTOGRAFIAS 79

magnitudes (incluyendo integrados para medidas biometricas con salida digital, como el

ADS1293[36] de Texas Instruments), incluir un interfaz humano-maquina, o emplear otro

tipo de memoria que junto a un nucleo mas potente permitiese el almacenamiento de datos

con unas tasas mucho mayores, o incluso incluir procesado y transmision por radio de los

datos en tiempo real.

En el paradigma presentado en el anterior parrafo, en el que se procesan muestras a

tiempo real, serıa posible ademas incluir control de algunos parametros de la bicicleta en

funcion de los datos obtenidos y procesados, que podrıan ser relativos a la suspension o

los frenos. Ademas, el sistema montado en la bicicleta podrıa extrapolarse muy facilmente

a otro ambito, como el de los vehıculos (vehıculos de competicion a motor de cuatro o dos

ruedas, aeronaves experimentales [34], automoviles de proposito especıfico...), industria,

etc. manteniendo sus propiedades de tamano, versatilidad mecanica y coste reducido.

En cuanto a la industrializacion, la fabricacion en mayor numero de estas unidades

permitirıa el diseno de una caja metalica rugerizada que aislase el sistema de inclemencias

ambientales y lo protegiese contra impactos y que estuviese disenada a medida de forma

que el sistema se mantuviese compacto (en este proyecto la caja (fabricada a mano por

Dani) se hizo con material reciclado).

Del mismo modo, se podrıa disenar un sensor de posicion siguiendo la misma tecnica

empleada en este pero mucho mas compacto y mas preciso.

3.4. Fotografıas

En las siguientes paginas se presentan algunas fotografıas del resultado final del diseno.

Como se ha citado en las secciones previas, todo el proyecto se ha llevado a cabo re-

utilizando material del que se disponıa, por tanto se podra apreciar como los protectores

opticos de los sensores de posicion estan hechos con una camara de bicicleta, abundante

uso de cinta americana, etc.


Figura 3.11: De izquierda a derecha y de arriba a abajo: Parte central, se aprecia laproteccion de la galga bajo el tubo diagonal, la caja, el sensor del amortiguador y losrespectivos circuitos. Parte central vista desde detras. Horquilla, se aprecia el aislamientooptico y el metodo de sujecion empleado.

3.4. FOTOGRAFIAS 81

Figura 3.12: De izquierda a derecha y de arriba a abajo: Vista de la caja. Detalle de lafijacion de uno de los diodos, insertado a traves del cilindro de PVC (no visible en laimagen), del protector optico y fijado con teflon y silicona termofusible. Vista vertical delsensor del amortiguador, con los diodos enfrentados y el gradiente. Vista de los circuitosapilados, y caja con quemadura por proximidad al soldador durante una reparacion.


Figura 3.13: De izquierda a derecha y de arriba a abajo: Aspecto de un circuito acondi-cionador de sensor optico. Parte exterior del sensor del amortiguador. Circuito acondi-cionador sobre la horquilla. Caja abierta, circuito expuesto. Detalle de la ubicacion de lagalga en el tubo diagonal.

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consiguen componentes a precios ventajosos. Son los verdaderos disenadores y fabri-

cantes de muchos de los productos de marca que empleamos hoy en dıa. Se ha tratado

el asunto con ellos gracias a un lazo profesional, y la cantidad de 50 euros para el pro-

ducto comercializable (PVP) es mas que razonable para ellos para un volumen bajo.

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