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CAPÍTULO 5
Pruebas y Resultados
5.1 INTRODUCCIÓN.
A lo largo de los capítulos anteriores se menciona que el sistema se encuentra divido en una
etapa de comunicación y una de control; y éstas a su vez se encuentran integradas por
diferentes circuitos. Por lo tanto, para que el sistema funcione correctamente es necesario
que, cada una de las partes que lo integran presente un desempeño adecuado.
En base a lo anterior, el presente capítulo abarca las pruebas y resultados obtenidos
durante el desarrollo del proyecto, así como imágenes y comentarios acerca de su
desempeño. Dicha información podrá encontrarse de manera individual para cada uno de
los circuitos de las etapas implementadas, así como para el sistema final.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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5.2 TRANSMISOR DE FM.
Los transmisores de FM implementados son capaces de transmitir en toda la banda
correspondiente a FM comercial que abarca de los 88 a los 108 MHz. Sin embargo éstos
únicamente se encontrarán transmitiendo a 108 MHz, dado que en las frecuencias cercanas
a ésta no hay muchas estaciones de radio que puedan ocasionar interferencia; por otra parte,
no se puede estar variando la frecuencia de transmisión ya que eso implicaría que se tuviera
que estar sintonizando constantemente tanto los transmisores como el receptor.
Cabe mencionar que debido a que se trata de circuitos transmisores muy sencillos, la
potencia de transmisión del circuito es muy pequeña, de aproximadamente 10.827 mW; por
consiguiente tienen un alcance también reducido, el cual como se demostró en el capítulo 2,
es de aproximadamente 10 metros. Sin embargo, dicho alcance depende de varios factores,
como: el tamaño de la antena, el lugar elegido para realizar la transmisión, de la existencia
de elementos metálicos y de la frecuencia de transmisión, ya que de elegir una frecuencia
que está siendo usada por alguna estación de radio el alcance disminuye considerablemente.
Debido a que para efectos del proyecto dicho alcance resulta demasiado grande, se redujo
el tamaño de la antena transmisora para conseguir un área de cobertura de
aproximadamente 2 metros, esto con la finalidad de no introducir demasiada interferencia
al sistema, sobre todo dentro del área de control de velocidad. Otra forma de aumentar o
disminuir el alcance del transmisor consiste en aumentar o disminuir, según sea el caso, la
potencia del transmisor.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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Las figuras 5.1 a y b, muestran la señal modulada en frecuencia del transmisor 1 y 2,
respectivamente. En ellas puede observarse que la señal varía su frecuencia mientras su
amplitud se mantiene constante. Por otra parte puede notarse que la frecuencia de
oscilación está en el orden de los 100 MHz, lo cual indica la frecuencia de transmisión.
(a) (b)
Figura 5.1: Señal modulada en FM: (a) Tansmisor 1; (b) Transmisor 2.
5.3 RECEPTOR DE FM.
Al igual que los transmisores, el receptor implementado es capaz de recibir en toda
la banda de los 88 a los 108 MHz, aunque únicamente estará sintonizado a una frecuencia
de 108 MHz. Dado que el circuito integrado utilizado se encuentra integrado de varias
etapas el circuito resulta muy estable; por otro lado, debido a que una de las etapas tiene la
finalidad de reducir el ruido, el circuito también presenta buena selectividad y sensitividad.
Lo anterior puede observarse en la figura 5.2, en la cual puede verse que la calidad
de la recepción es buena, ya que la señal obtenida a la salida muestra la misma frecuencia
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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de la señal original así como una amplitud muy cercana; sin embargo también puede verse
que la salida presenta un offset de aproximadamente 2.9 V, el cual es resultado de las
características del circuito integrado, ya que cuando éste se encuentra funcionando con una
alimentación de 4.5 V y una carga resistiva de 22 KΩ, a la salida se presenta un voltaje de
aproximadamente 1.3 V; como se mencionó en el capítulo 2, cuando la alimentación del
circuito es de 9V con una carga resistiva de 47 KΩ, la amplitud de la señal de salida
aumenta casi al doble, por lo tanto, el offset presente en la señal también aumenta a
aproximadamente 2.6 V.
Sin embargo, dicho nivel de offset no implica problema alguno para ésta aplicación,
ya que ésta señal únicamente sirve como referencia para llevar a cabo una acción en el
microcontrolador. Por otra parte, el offset presente ayuda a asegurar que ninguna señal de
ruido pueda activar y/o desactivar la acción de control.
(a) (b)
Figura 5.2: Señal de salida del receptor (a) con el transmisor 1, (b) con el transmisor 2.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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5.4 MICROCONTROLADOR.
Básicamente el microcontrolador es el encargado de realizar el control de la
velocidad del automóvil. En este caso, se tienen 3 velocidades, de las cuales la 1ra.
velocidad es completamente independiente de la señal que pudiera llegar a recibir el PIC de
cualquiera de los transmisores, por lo tanto, la señal PWM generada cuando se requiera ir
en 1ra. tendrá siempre un ciclo de trabajo de aproximadamente 43%. La señal de control
para esta condición se presenta en la figura 5.3.
Figura 5.3: Señal PWM correspondiente a la 1ra. velocidad.
Cuando se realiza el cambio de velocidad en el coche, el PIC recibe la indicación de
dicha modificación, por lo que generará un PWM con un ciclo de trabajo que va a depender
del área donde esté el vehículo. En el caso de que el vehículo se encuentre fuera del área de
control, la señal originada por el microcontrolador tendrá un ciclo de trabajo de
aproximadamente 60%, la cual equivaldrá a un funcionamiento del vehículo del 100%. Esto
se ilustra en la figura 5.4.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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Figura 5.4: Señal PWM correspondiente a la 2da. velocidad.
Cuando el vehículo se encuentre situado dentro del área de control, y siempre y
cuando viaje en 2da. velocidad, la señal de PWM producida por el PIC tendrá un ciclo de
trabajo del 48% aproximadamente (figura 5.5). Con esto se impide que el chofer pueda
aumentar la velocidad del vehículo, ya que la velocidad máxima que podrá alcanzar
corresponde a la velocidad de control asignada por el microcontrolador. Sin embargo, el
conductor si podría reducir su velocidad, por lo que si cambia a 1ra. el PIC proporcionará la
señal con el ciclo de trabajo del 43%.
Figura 5.5: Señal PWM correspondiente a la velocidad de control.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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5.5 CIRCUITO DE DISPARO.
Esta etapa únicamente se encarga de elevar el voltaje del PWM generado por el
microcontrolador a un voltaje que sea capaz de disparar el MOSFET. En las figuras 5.6, 5.7
y 5.8, puede observarse que a la salida del driver se mantiene el mismo ciclo de trabajo de
la señal original, sin embargo su amplitud se eleva a aproximadamente 10V, asegurando así
que la conmutación del MOSFET se realice correctamente.
Figura 5.6: Señal de salida del driver correspondiente a la 1ra. velocidad.
Figura 5.7: Señal de salida del driver correspondiente a la velocidad de control.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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Figura 5.8: Señal de salida del driver correspondiente a la 2da. velocidad.
En este apartado es preciso señalar que después del driver es necesario añadir un
transformador 1:1, con la finalidad de aislar la tierra de potencia de la tierra de control; sin
embargo, la salida del transformador conserva en la mejor manera posible las mismas
características que la salida del driver. Las imágenes 5.9, 5.10 y 5.11, ilustran como la
salida del transformador mantiene la misma amplitud y frecuencia que la señal original,
aunque el ciclo de trabajo de éstas se ve levemente reducido.
Figura 5.9: Señal de salida del transformador con un ciclo de trabajo del 43%.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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Figura 5.10: Señal de salida del transformador con un ciclo de trabajo del 48%.
Figura 5.11: Señal de salida del transformador con un ciclo de trabajo del 60%.
5.6 REDUCTOR - ELEVADOR.
En el circuito reductor – elevador la frecuencia de conmutación, así como el ciclo de
trabajo se controlan a través de un voltaje aplicado entre las terminales compuerta y fuente
del MOSFET. Dicho voltaje es obtenido directamente de la salida del transformador
(figuras 5.9, 5.10 y 5.11), por lo que la salida del transformador corresponde al voltaje
aplicado entre estas terminales.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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Como es bien sabido, este tipo de circuitos tienen la facilidad de entregar a la salida
ya sea un voltaje mayor o menor al de entrada, dependiendo del ciclo de trabajo. Por lo
tanto, para un ciclo de trabajo del 43% el circuito entrega un voltaje de 9 V. En la figura
5.12 puede observarse dicho resultado, también se puede ver que el voltaje de salida es
negativo, lo cual corresponde a una de las características del circuito, que su voltaje de
salida sea inverso al de entrada.
Figura 5.12: Señal de salida del circuito reductor – elevador para la 1ra. velocidad.
En la figura 5.13 puede observarse que para un ciclo de trabajo del 60%, el voltaje
de salida es negativo y tiene una magnitud de aproximadamente 17 V.
Figura 5.13: Señal de salida del circuito reductor – elevador para la 2ª velocidad.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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Finalmente en la figura 5.14 se observa que para la velocidad controlada (ciclo de
trabajo de 48%), se obtiene a la salida del reductor – elevador un voltaje intermedio a los
casos pasados, cuya magnitud es de aproximadamente 11 V.
Figura 5.14: Señal de salida del circuito reductor – elevador para la velocidad de control.
5.7 SISTEMA FINAL.
En este apartado se presentan los resultados obtenidos una vez que todas las etapas
del sistema estuvieron interconectadas y el sistema funcionó correctamente. En la figura
5.15 se ilustra el diagrama del sistema completo.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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Figura 5.15: Sistema completo.
IR 21131 2 3 4 5 6 7
14 13 12 11 10 9 8
PIC16F877A
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21
0.1 µF1 KΩ
Viene del Veh culoί
2a velocidad
1a velocidad
5 V
9 V
1 2 3 4 5 6 7 8 9
18 17 16 15 14 13 12 11 10
TDA 7000
150
nF
47 KΩ
1.8
nF
22 n
F
10 n
F
10 n
F
.12 µH
180 pF
4-40 pF
3.3 nF
330 pF
3.3 nF
150 pF
130 nH
47 pF
100
nF
330
pF
220
pF
39 pF2.2 nF
1 µF 1 µF
Ace
lera
dor
1N4740A
1:1
U1520
L680 µH C
68.9 µF
IRFP260N
12 V7.6 A
4 MHz
Antena
Señal deentrada.
R110 KΩ
R21 MΩ
R 3100 KΩ
R410 KΩ
R5100 Ω
R610 KΩ
R71 KΩ
C10.1 µF
C20.1 µF
C30.01 µF
C44 - 40 pF
C54.7 pF
9 V
Q12N3904
Q22N3904
L10.1 µH
Antena
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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En primer lugar se puede resaltar que el circuito reductor–elevador introduce
interferencia electromagnética al resto del circuito. Dicha interferencia se debe a que el
circuito se encuentra trabajando a una frecuencia de conmutación elevada, 100 KHz, por
consiguiente el cambio entre corriente y voltaje en el MOSFET se presenta de forma muy
abrupta. Dichos cambios son resultado de utilizar el MOSFET como un interruptor, pero
sobre todo son producto de los valores elevados de voltaje, corriente y frecuencia.
Para solucionar dicho problema fue necesario separar el circuito de potencia del
receptor y del resto del sistema de control. Sin embargo, debido que esta solución no
resultó lo suficientemente efectiva, el sistema de control tuvo que aislarse con una placa de
aluminio, a fin de simular una caja de Faraday, con lo que se logró evitar en gran parte la
interferencia, y la señal se hizo de nuevo fácilmente identificable, aún cuando la relación
señal a ruido aún resultase considerable.
La figura 5.16 ilustra la señal del receptor una vez que éste fue aislado; en la imagen
puede observarse que la señal pierde un poco de amplitud y presenta ruido, sin embargo
con el valor que alcanza es suficiente para que el sistema funcione correctamente.
Figura 5.16: Interferencia en el receptor ocasionada por el circuito de potencia.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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Por otra parte, las inductancias y capacitancias parásitas debidas al MOSFET y al
cableado, ocasionan que la señal de conmutación también presente cierta interferencia. Una
manera de reducir el efecto de estos elementos parásitos consiste en reducir la longitud de
los cables que conectan al transformador con el circuito de potencia; pero en este caso, no
es posible dado que el sistema de control y el de potencia deben estar separados por las
cuestiones de interferencia mencionadas anteriormente.
En la figura 5.17, puede observarse la señal aplicada entre las terminales de
compuerta y fuente del MOSFET cuando el vehículo está funcionando y se hacen presentes
los elementos parásitos. En dicha figura puede observarse que el ciclo de trabajo (en este
caso del 60%), no se ve alterado por lo que este comportamiento no tendría por qué
ocasionar problemas al sistema.
Figura 5.17: Distorsión del voltaje compuerta-fuente debida al funcionamiento del vehículo.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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Es necesario mencionar que el reductor-elevador funcionaba adecuadamente, sin
embargo en el momento de conectar los motores del vehículo al sistema, el voltaje de salida
de dicho circuito se caía en aproximadamente 5V. Dicha caída de voltaje es atribuible al
valor de la carga de los motores, al cambio en la demanda de corriente cuando están
conectados los motores y al calentamiento del los dispositivos.
En las figuras 5.18, 5.19 y 5.20, pueden observarse los voltajes de salida del circuito
cuando los motores se encuentran conectados y funcionando en 1ra., 2da. y a la velocidad
de control, respectivamente.
Figura 5.18: Señal de salida del circuito reductor – elevador para la 1ra. velocidad.
Figura 5.19: Señal de salida del circuito reductor – elevador para la 2da. velocidad.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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Figura 5.20: Señal de salida del circuito reductor – elevador para la velocidad de control.
Por otra parte, hay que hacer referencia a las corrientes consumidas. En el caso en
que el vehículo viaja en 1ra. velocidad, la corriente demandada por los motores es de
aproximadamente 1.23 A. En el segundo caso, cuando se viaja a la velocidad máxima, la
corriente suministrada por la batería es de aproximadamente 5.21 A. Finalmente con la
velocidad de control, la corriente que requieren los motores es de aproximadamente 2.04 A.
Es necesario resaltar que para comprobar el correcto funcionamiento del vehículo se
realizaron diversas pruebas. Entre ellas se encuentran las siguientes:
Viajar de manera constante en 1ra. velocidad: Durante esta prueba pudo observarse
que el sistema no afecta de forma alguna el comportamiento del vehículo. Esto se
debe, a que el sistema únicamente establece un límite máximo de velocidad, por lo
que el vehículo puede viajar a una velocidad menor a la establecida sin ser afectado.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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Viajar de manera constante en 2da. velocidad: En este caso, pudo observarse como
el vehículo reduce y aumenta su velocidad al momento de pasar por el primero y
segundo transmisor, respectivamente.
Viajar en 1ra. velocidad y dentro del área de control cambiar a 2da. velocidad:
Durante esta demostración fue posible observar que aún cuando no resulta notoria la
acción de control sobre el vehículo, debido a que éste entra en el área controlada a
una velocidad menor a la establecida, al momento de intentar elevar la velocidad
dentro de esta zona, la velocidad máxima alcanzada por el vehículo corresponde a la
velocidad controlada establecida por el sistema. Al momento de pasar por el
segundo transmisor, podrá notarse que el vehículo aumenta la velocidad a la que
viaja. Esta prueba permite observar el comportamiento del sistema para las tres
velocidades del vehículo.
Viajar en 2da. velocidad y dentro del área de control hacer el cambio a 1ra.: Con
esta prueba pudo comprobarse que el vehículo reduce su velocidad al entrar al área
de control, y que una vez dentro de ésta, el vehículo puede viajar a una velocidad
menor. Después de pasar el segundo transmisor, a una velocidad menor a la
establecida, fuera del área de control se puede cambiar a la velocidad máxima y
observar que el vehículo fue liberado correctamente de la acción de control.
Capítulo 5. Pruebas y Resultados
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Entrar en 2da. velocidad al área de control, una vez dentro hacer el cambio a 1ra., y
nuevamente cambiar a 2da. velocidad para finalmente salir de la zona: Con esta
prueba pudo comprobarse que el vehículo reduce su velocidad al momento de entrar
al área de control; una vez dentro de ésta, el vehículo puede viajar a una velocidad
menor; en el momento de aumentar nuevamente la velocidad, éste no podrá
sobrepasar el límite establecido hasta el momento en que sea liberado por el
segundo transmisor.
Entrar al área de control en 2da. velocidad y, una vez dentro detener completamente
el vehículo por un tiempo determinado: Al igual que los casos anteriores, la
velocidad del vehículo es restringida por el sistema. Al detener completamente el
vehículo y hacerlo avanzar nuevamente, es posible observar que la acción del
sistema aún está presente, es decir, el vehículo inicia con la velocidad de control.
Este caso resulta de importancia ya que, se debe tomar en cuenta que en un caso real
un vehículo podría llegar a estacionarse dentro del área de control, y el sistema debe
ser capaz de reconocer esta situación.
Pasar por un transmisor y a la mitad del área de control dar la vuelta en U: Con esta
demostración se puede demostrar que ambos transmisores son capaces de establecer
el límite de velocidad, así como de liberar al vehículo de la acción de control
establecida sobre él. Por lo tanto, al pasar la primera vez por el transmisor, el
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vehículo reduce su velocidad, al momento de dar la vuelta y pasar nuevamente por
el mismo transmisor, el vehículo puede viajar nuevamente a la velocidad deseada.
Cabe mencionar, que las pruebas anteriormente presentadas no representan la
totalidad de los casos existentes; sin embargo son consideradas las más apropiadas para
demostrar el funcionamiento del sistema, ya que ejemplifican la mayoría de los casos que
podrían llegar a presentarse en una situación real.
