La electrónica del proyecto

En esta parte del blog podremos ver en qué consistirá la parte eléctrica y electrónica "inteligente" de la máquina. Esta parte será una de las más importantes a llevar a cabo para un modelo industrial, que necesitará de un sistema sólido y a prueba de fallos, completamente compatible y seguro, accesible e incluso modificable para que se pueda actualizar el código y/o implementar alguna mejora en el futuro. Los esquemas eléctronicos están hechos con KiCad 4.0.7 .

Nota: en esta entrada se exponen tanto el diseño industrial como el prototipo electrónico.

El proyecto necesita un circuito para poder separar los residuos en función de un código proporcionado por el usuario, almacenar los datos en alguna forma de memoria flash, una pantalla que sirva como interfaz, motores para mover las cintas con sus respectivos drivers, un sensor de barrera láser para dectectar que el residuo ha pasado por la cinta. Por tanto, se usarán los siguientes materiales, aunque en cursiva se encuentran los que no se han podido probar todavía, en el diseño industrial:

• 1 transformador 230V a 12V.
• 1 cable con conectores Schuko (CEE 7 tipo F) y conector terminal bipolar + toma a tierra.
• 1 conector 
• 1 fusible.
• 1 portafusible.
• 1 interruptor para 230V.
• 1 LM7805 (regulador de voltaje fijo a 5V 1A).
• 2 condensadores electrolíticos de 10µF.
• 1 resistencia fija de 470kΩ.
• 1 resistencia fija de 330Ω.
• 1 resistencia variable de 10kΩ.
• 2 condensadores cerámicos de 0.1µF (código 104).
• 2 condensadores cerámicos de 0.01µF (código 103).
• 2 ATMEGA328P-PU (los microcontroladores de Arduino UNO).
• 2 LB1641 (driver bidireccional para motores DC).
• 1 pantalla LCD compatibe con Arduino.
• 1 módulo para tarjetas microSD.
• 1 tarjeta microSD 1GB.
• 1 teclado matricial 3 columnas 4 filas.
• 1 lámpara de neón
• 1 fotoresistencia.
• 1 láser.
• Cables.
• Conectores múltiples.

El esquema electrónico es el siguiente, el cual se explicará por bloques en este mismo post:

Primero de todo, trataremos la alimentación:



Se estructura de la siguiente manera:

1. Entrada AC, control con interruptor.
2. Protección: fusible, luz neón de 90V·0.0012A = 0.108W, resistencia que consume (230-90)V·0.0012A = 0,168W, transformador. El consumo total del piloto lumínico es 0.108W+0,168W = 0.276W.
3. Conversión de voltaje y corriente: transformador y puente rectificador.
4. Filtrado de señal: condensador electrolítico 560µF 25V.
5. Conversión a 5V: dos condensadores en paralelo con la entrada y salida del IC LM7805.

Procedemos al bloque de entrada y almacenamiento de datos, del Arduino Máster:

Se estructura en:

1. Teclado matricial (entrada de datos).
2. Módulo microSD (almacenamiento de datos).
3. Entrada analógica con LDR y resistencia variable. Como el ATMEGA328P no puede medir intensidad, está conectado en serie para obtener un voltaje distinto en la intersección, dependiendo de la corriente que fluya que, según nuestro amigo Georg Simon Ohm, será, si consideramos V_i al voltaje obtenido en la intersección respecto a GND del circuito, I a la corriente que fluye por los componentes en serie, r₁ a la resistencia de la LDR, r₂ a la resistencia del potenciómetro y R a la suma de r₁ y r₂, obtenemos que:
• Por Ley de Ohm, I = 5v/R
• R = r₁₊r₂
• V_i = I·r₁
• V_i = 5v · r₁/r₁₊r₂
4. También se puede entender como un divisor de tensión o una regla de tres que multiplica al voltaje suministrado.
5. Salida serial.
6. Entrada botón reset.

El siguiente bloque corresponde al Arduino Esclavo:


En la primera imagen:

1. ATMEGA328P con sus conexiones al otro microprocesador y el botón reset.
2. Salidas digitales a los drivers de los motores.
3. LCD con todas sus conexiones digitales, una resistencia para el led del fondo y divisor de tensión para ajustar el contraste.

En la segunda imagen:

1. Los drivers LB1641 que controlan sus respectivos motores.
2. Conectados a sus entradas digitales las salidas del microprocesador para control de motores.
3. Entradas de 5v (VCC₁ alimentación digital) y 12v (VCC₂ alimentación motores).
4. Cada motor conectado en paralelo a un condensador de 0.1µF para no estropear los drivers con los transitorios.
5. Un condensador de 0.01µF entre P₁ y P₂. Véase datasheet de LB1641, en la bibliografía.
6. El zéner que podría ponerse en el pin4 (V_z). Se omite porque usaremos el mismo voltaje que en VCC₂.

Con esto concluye el esquema, pero antes, el modelo 3D del circuito terminado, aunque es mejorable la distribución de componentes:

Finalmente, las referencias externas:

1. Sanyo Semicon Device (2008). LB1641 Datasheet (PDF). Alldatasheet.com. http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/474916/SANYO/LB1641.html
2. Bellido Díaz, Manuel J. (2015, octubre). Normas Básicas y Recomendaciones en el Diseño de PCBs [archivo PDF]. Recuperado de https://www.dte.us.es/docencia/etsii/gii-ic/laboratorio-de-desarrollo-hardware/temas/Tema5NormasPCB/at_download/file
3. Gómez, E. [Rincón Ingenieril]. (2015, marzo 14). KiCad - Crear componentes [Archivo de vídeo]. Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=ERNaoDppg_g&ab_channel=Rinc%C3%B3nIngenieril
4. Gómez, E. [Rincón Ingenieril]. (2015, marzo 14). KiCad - Crear componentes [Archivo de vídeo]. Recuperado de https://www.youtube.com/watch?v=b4kjR59wWm0&ab_channel=Rinc%C3%B3nIngenieril