Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel

Trabajo de Final de Grado Grado en Tecnologías Industriales Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel MEMORIA Autor: Carolina Viciana Moyano Director: Juan Manuel Moreno Eguilaz Convocatoria: Junio 2018 Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona Pág. 2 Memoria Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 3 Resumen Hoy en día, está muy de moda jugar al pádel. Por ese motivo se ha desarrollado un sistema de puntuación electrónico con control remoto, para que el usuario aficionado a este deporte pueda disfrutar con amigos sin tener que preocuparse de sumar puntos. En un principio, se ha hecho un estudio de mercado, no únicamente para saber si a los usuarios que juegan habitualmente les atraía este producto a nivel comercial, sino también para saber si existían empresas que fabricaran sistemas electrónicos con control remoto. Seguidamente, para llevar a cabo este proyecto se han utilizado conocimientos de electrónica, como el uso de dispositivos visualizadores 7 segmentos, un módulo de radiofrecuencia y el uso de un microcontrolador entre otros, para el prototipo del hardware. Por otro lado, se ha creado un programa informático escrito en lenguaje C para microcontrolador que controla el estado de los visualizadores y la correcta puntuación del partido utilizando autómatas de Moore. Se ha considerado todo el reciclaje de los componentes que lleva el prototipo para un menor impacto ambiental y reducción de contaminantes. Con unos resultados positivos tanto del estudio de mercado, como del impacto ambiental, se puede afirmar que el prototipo funciona correctamente y se podría comercializar, siempre y cuando se diseñase un circuito impreso PCB (Printed Circuit Board) y un encapsulado adecuado para el producto final. Pág. 4 Memoria Sumario RESUMEN ___________________________________________________ 3! SUMARIO ____________________________________________________ 4! 1.!GLOSARIO _______________________________________________ 7! 2.!PREFACIO _______________________________________________ 9! 2.1.!Origen del proyecto ......................................................................................... 9! 2.2.!Motivación ........................................................................................................ 9! 2.3.!Requerimientos previos ................................................................................... 9! 3.!INTRODUCCIÓN _________________________________________ 11! 3.1.!Objetivos del proyecto ................................................................................... 11! 3.2.!Alcance del proyecto ..................................................................................... 11! 4.!ESTUDIO DE MERCADO ___________________________________ 12! 4.1.!Marcadores de pádel comerciales ................................................................ 12! 4.2.!Estadísticas del cliente sobre el producto ..................................................... 13! 5.!ESPECIFICACIONES ______________________________________ 18! 5.1.!Dispositivos electrónicos ............................................................................... 18! 6.!PROPUESTA ____________________________________________ 24! 6.1.!Propuesta de Hardware ................................................................................ 24! 6.2.!Propuesta de Software .................................................................................. 29! 7.!VALIDACIÓN Y TEST _____________________________________ 35! 7.1.!Pruebas de Hardware ................................................................................... 35! 7.1.1.!Prueba 1 .............................................................................................................. 35! 7.1.2.!Prueba 2 .............................................................................................................. 36! 7.2.!Pruebas de Software ..................................................................................... 37! 7.2.1.!Prueba 1 .............................................................................................................. 37! 7.2.2.!Prueba 2 .............................................................................................................. 38! 8.!DISEÑO Y DESARROLLO DE LA CUBIERTA __________________ 39! 8.1.!Tipo de material de la cubierta ...................................................................... 39! 9.!PRESUPUESTO __________________________________________ 44! 9.1.!Costes de trabajo y amortización .................................................................. 44! 9.2.!Costes del prototipo ....................................................................................... 45! Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 5 10.!IMPACTO SOBRE EL ENTORNO ____________________________ 48! 10.1.!Impacto ambiental de los componentes del hardware ................................. 48! 10.2.!Impacto ambiental de los materiales de la cubierta ..................................... 49! 11.!AGRADECIMIENTOS ______________________________________ 50! CONCLUSIONES _____________________________________________ 51! BIBLIOGRAFÍA ______________________________________________ 52! Referencias bibliográficas ....................................................................................... 52! Bibliografía complementaria ................................................................................... 53! Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 7 1. Glosario Ad Advantage; Terminología del tenis o pádel para indicar que un jugador necesita un punto más para ganar el juego. Amperio Medida de la intensidad de corriente eléctrica que circula por un sistema eléctrico o electrónico. Arduino Compañía de desarrollo de hardware y software libre. ASK Amplitud Shift Keying; forma de modulación de onda electromagnética, en la cual son representados los datos digitales como variaciones de la amplitud de onda portadora en función de los datos a enviar. ATMEL Advanced Technology for MEmory and Logic; compañía de fabricación de hardware. BJT Bipolar Junction Transistor; dispositivo electrónico que permite controlar el paso de corriente o voltaje a través de sus terminales. Bit Binary digit; medida de almacenamiento de memoria digital que puede ser 0 o 1 en sistema de numeración binario. Byte Unidad de información de base utilizada en computación equivalente a un conjunto ordenado de bits. EEPROM Electrically Erasable Progammable Read-Only Memory; tipo de memoria ROM que puede ser programada y reprogramada. Hardware Conjunto de componentes físicos que constituyen un sistema electrónico. LED Light-Emitting Diode; fuente de luz constituida por un material semiconductor con terminales. PCB Printed Circuit Board; superfície constituida por pistas de material conductor laminadas sobre una base no conductora que permite la conexión de un conjunto de componentes electrónicos. PE Polyethylene; plástico sintético formado por la síntesis química del producto químico de etileno. PET Polyethylene terephthalate; resina plástica derivada del petróleo que Pág. 8 Memoria pertenece al conjunto de materiales sintéticos del poliéster. PIC Peripheral Interface Controller; conjunto de microcontroladores fabricados por la empresa Microchip Technology Inc. PVC Polyvinyl Chloride; plástico sintético formado por la síntesis química del producto químico de cloruro de vinilo. ROM Read-Only Memory; medio de almacenamiento utilizado en dispositivos electrónicos que solamente permite la lectura de la información y no su escritura. Software Conjunto de componentes lógicos necesarios que hacen posible la realización de tareas específicas mediante la ejecución de instrucciones. SRAM Static Random Access Memory; memoria que mantiene los datos mientras el sistema está alimentado. Tie-Break Sistema de desempate deportivo. Timer Sistema con frecuencia programable que permite medir el tiempo. UV Ultra Violet; radiación electromagnética emitida por un cuerpo. Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 9 2. Prefacio A lo largo de mi estancia en la universidad, he descubierto mi gran interés en la electrónica y en el sector de las energías tanto renovables como las no renovables. En las asignaturas de Proyecto I y Proyecto II, aprendí a nivel práctico el funcionamiento de LEDs (Light-Emitting Diode), microcontroladores PIC y Arduino, así como diversos módulos electrónicos, lo que me motivó para realizar un trabajo de final de grado, relacionado con los microcontroladores. 2.1. Origen del proyecto Durante mi estancia en una empresa para hacer prácticas, conocí a un ingeniero electrónico especializado en robótica y hablando un día sobre los proyectos posibles con microcontroladores, me sugirió la idea de implementar un marcador de puntos de pádel porque se quejaba de equivocarse al contarlos. Resaltó la idea de hacerlo con control remoto para que fuera más útil para cualquier usuario aficionado a ese deporte. 2.2. Motivación Debido a que cuando era más pequeña estuve jugando al tenis en un club, deporte muy semejante al pádel, me entusiasmó la idea que me dio mi compañero de trabajo y fue una de las motivaciones que me llevaron a desarrollar este proyecto. Otra motivación importante fue el haber realizado proyectos anteriormente, relacionados con la electrónica y tras haber cursado dicha asignatura, me ha influido de forma positiva para el interés de todo lo relacionado con módulos electrónicos, hardware y software. 2.3. Requerimientos previos Para la realización de este proyecto se necesitan conocimientos sobre programación de Arduino, el microcontrolador usado. Este tipo de programación no se enseña en la universidad de forma obligatoria, y previamente, se ha tenido que consultar el manual de programación y muchos ejemplos en internet, para entender mejor cómo poder programar el software del proyecto. Pág. 16 Memoria Fig. 4.2.4. Resultados cuarta pregunta. Fuente: propia. Fig. 4.2.5. Resultados quinta pregunta. Fuente: propia. Los resultados de la Fig. 4.2.4., son positivos porque los marcadores más votados son los electrónicos con un 36,4% el de botones normal y un 31,8% el que tiene control remoto. Por lo tanto, se puede concluir que es una idea que agrada y que atrae al cliente. Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 17 Fig. 4.2.6. Resultados sexta pregunta. Fuente: propia. Se puede decir que el prototipo de marcador propuesto está pensado para crear un producto para el usuario a nivel de ocio, no como un producto de competición profesional. Por ese motivo, se ha encuestado a personas que juegan al pádel como diversión con amigos. Es por eso que el resultado de la encuesta refleja la necesidad de por un precio por debajo de los marcadores que se venden profesionalmente. Seria un problema para la comercialización del producto si los costes fueran superiores a 45 € como se observa en la Fig. 4.2.5. Por último se ha hecho una pregunta genérica sobre la utilidad de un marcador para este tipo de deporte, y como se puede comprobar los resultados que se muestran en la Fig.4.2.6., son muy positivos porque los usuarios lo encuentran muy útil, dada la necesidad de no equivocarse con la puntuación. Como los resultados han sido muy positivos se podría llevar a cabo el proyecto a nivel comercial, siempre y cuando se cumplan las especificaciones de precio mencionadas anteriormente. Pág. 18 Memoria Tabla.5.1.1. Características del microcontrolador escogido. Fuente: [https://kitskart.com] 5. Especificaciones Para el correcto desarrollo del prototipo se deben establecer unas especificaciones a nivel técnico. Entre ellas, todos los dispositivos y componentes que se requieren para el hardware. 5.1. Dispositivos electrónicos Debe tener un microcontrolador que se programará posteriormente para que haga todas las funciones de control y comunicaciones. Para poder conectar todas las salidas digitales que se necesitarán, se ha optado por una placa, con un chip de ATMEL (Advanced Technology for Memory and Logic) [1]. El motivo de utilizar este tipo de placa y no una mas pequeña es que se requieren 22 salidas digitales y ésta permite todas esas conexiones. Además, dado que el programa será muy grande se necesita mucha memoria de programa ROM (Read- Only Memory). Para que los segmentos se enciendan correctamente se recurre a un sistema de encendido multiplexado en el tiempo. En la Tabla 5.1.1. se muestran las características del microcontrolador escogido para el proyecto. Para indicar los puntos del marcador se usarán dispositivos visualizadores de 7 segmentos. Cada equipo tendrá 5 visualizadores, 3 correspondientes a los sets y 2 correspondientes a los puntos de juego. Para una claridad mayor en la visualización de los puntos se usarán 2 colores diferentes, verde para los puntos de los sets y rojo para los puntos de juego, como se observa en la Fig. 5.1.1. Voltaje de operación 5V Corriente de operación 40mA Rapidez del reloj 16MHz Salidas digitales 54 Memoria flash 256KB Memoria SRAM 8KB Memoria EEPROM 4KB Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 19! Fig. 5.1.1. Visualizadores 7 segmentos verde y rojo. Fuente: propia. Fig.5.1.2. Esquema de los 7 segmentos, con el número 11501 correspondiente a las conexiones de ánodo común y sus medidas. Fuente: [https://es.aliexpress.com]. Los dispositivos electrónicos deberán ser suficientemente grandes para que se pueda ver a distancia. Por lo tanto, se opta por un visualizador de unas dimensiones de 44 x 30,6 x 8mm y de tipo ánodo común (correspondiente al modelo 11501 de la Fig. 5.1.2). Pág. 20 Memoria Tabla.5.1.3. Características del control remoto. Fuente: [https://www.ebay.es]. Tabla.5.1.2. Características de funcionamiento de los visualizadores 7 segmentos. Fuente: propia. En la Tabla 5.1.2. se muestran las características mas importantes de funcionamiento de los visualizadores 7 segmentos rojo y verde. Para cambiar la puntuación de un equipo u otro, se usará un mando a distancia por radiofrecuencia, como se observa en la Fig. 5.1.3., con 2 botones para cada equipo, que permiten subir la puntuación o bajarla, en caso de error. Aparte del mando también se utilizará un receptor de radiofrecuencia [2], que se sincronizará con el mando a distancia. Se ha optado por este tipo de transmisión y no por infrarrojos porqué los marcadores suelen estar al aire libre y los infrarrojos tienen interferencias con la radiación solar, a diferencia de la radiofrecuencia, que funciona mejor. A continuación, en la Tabla 5.1.3., se indican los parámetros más importantes que se requieren para éste módulo electrónico de proyecto. Visualizador 7 segmentos verde Visualizador 7 segmentos rojo Corriente de operación -800 mA Corriente de operación -800 mA Voltaje de operación 6 V Voltaje de operación 4 V Nº de pines 10 Nº de pines 10 Tipo de visualizador Ánodo común Tipo de visualizador Ánodo común Frecuencia de operación 315MHz Número de canales 4 Cobertura de señal 40-60 m Corriente de operación 10mA Voltaje de operación 5V Longitud de antena para módulo 24cm Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 21! Fig.5.1.3. Módulo radiofrecuencia con mando de 4 canales. Fuente: propia. Fig.5.1.4. Tipo de señal que recibe el microcontrolador. Fuente: [http://www.bolanosdj.com]. La señal que se utiliza para el módulo de radiofrecuencia es una señal unipolar positiva, es decir, que cuando se pulsa un botón (pulsador) del mando, al receptor le llega una señal con un flanco de subida a 5V, que es el voltaje de operación y cuando se deja de pulsar el botón del mando, vuelve a 0V con un flanco de bajada. Este flanco no tiene una duración exacta, eso quiere decir, que puede durar 1 segundo o puede durar más, como se indica en la Fig. 5.1.4., evitando que este pequeño inconveniente se vea involucrado en la respuesta de la señal. Los módulos de radiofrecuencia utilizados, cuando reciben señales, lo hacen mediante una modulación ASK (Amplitud Shift Keying) [3], que significa modulación por desplazamiento de amplitud como se observa en la Fig. 5.1.5. Pág. 22 Memoria Fig. 5.1.6. Transistor BJT de tipo pnp. Fuente: [http://portalelectronica.com] Fig.5.1.5. Tipo de modulación del módulo. Fuente: [http://www.bolanosdj.com]. Tabla. 5.1.4. Características destacadas del transistor BC327. Fuente: propia. El prototipo también dispondrá de transistores bipolares BJT (Bipolar Junction Transistor) de tipo pnp [4] como el de la Fig. 5.1.6., que trabajaran como interruptores unidireccionales, es decir, que solo circula intensidad en una dirección y tienen una corriente máxima cuando están en conducción y una tensión máxima cuando están en corte. Los transistores que se utilizarán tendrán las características de la Tabla 5.1.4. Voltaje del Emisor -45 V Voltaje de la Base -50 V Voltaje del Colector -5 V Corriente de operación -800 mA Tipo de transistor pnp Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 23! Fig. 5.1.8. Esquema de la conexión LED y transistor como interruptor. Fuente: [www.learn.sparkfun.com]. Con los gráficos de funcionamiento, en los cuales el gráfico de la izquierda muestra el encendido y apagado y el gráfico de la derecha muestra el tramo de saturación (OFF) por el que pasa el transistor y el tramo de corte (ON) según la lógica negativa como se puede observar en la Fig.5.1.7., permitiendo que se visualice el número correspondiente en el visualizador 7 segmentos, y permitiendo el paso de corriente según las instrucciones del programa. Para evitar que los transistores de dañen, se deberá poner una resistencia por cada transistor si es necesario según la corriente y voltaje de operación de los visualizadores 7 segmentos y el microcontrolador. El tipo de conexión es el que se indica en la siguiente Fig. 5.1.8., donde se esquematiza de forma genérica con un LED (Light-Emitting Diode) cómo se conectarán los transistores funcionando como interruptores a cada uno de los visualizadores 7 segmentos. Fig. 5.1.7. Gráficos de funcionamiento del transistor como interruptor. Fuente: Diapositivas del Departamento de Ingeniería Electrónica M2-T7. Pág. 24 Memoria Fig. 6.1.1. Esquema del conexionado. Fuente: propia. 6. Propuesta Para explicar la propuesta del proyecto se ha dividido en dos grandes términos, la propuesta de hardware, donde se explica toda la parte de conexionado de los dispositivos electrónicos, y la propuesta de software, donde se explica el funcionamiento del programa informático que permite implementar el algoritmo de puntuación del pádel. 6.1. Propuesta de Hardware Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 25! Fig. 6.1.2. Salidas/Entradas del microcontrolador. Fuente: [https://www.arduino.cc]. Se han unido entre sí los visualizadores 7 segmentos a un puerto del microcontrolador. De esa manera únicamente hay 7 cables que corresponden a los segmentos nombrados de la A a la G y colocados en los pines de salida digital, del 10 al 13 y del 50 al 52, respectivamente. Estos pines están situados en el puerto B, el cuál se habilitará con el programa informático y de esa manera se simplifica el código, activando un único puerto para todos los segmentos. En la Fig. 6.1.1. se muestran todas las conexiones que tendrá el hardware. En la Fig. 6.1.2. se muestran las salidas/entradas que tiene el microcontrolador con su nombre correspondiente y las Tablas 6.1.1., 6.1.2., 6.1.3., y 6.1.4. indican para cada pin, qué salida/entrada del dispositivo electrónico se ha conectado y su código correspondiente según el software. Pág. 32 Memoria Fig. 6.2.4. Autómata de Moore de los puntos del Set. Fuente: propia. Cuando se llega al empate a 6, muerte súbita, o también llamado en inglés Tie-break, para hacer el desempate se contabiliza de forma distinta, en vez de contar los puntos de juego como (15-30-40…), se cuenta como puntos normales (1-2-3-4…) hasta llegar a 7 y si sigue sin haber una diferencia de 2 puntos, es decir, se llega otra vez a empatar a 6-6 de manera que al pasar a 6-7/7-6 la diferencia no es de dos puntos, se debe desempatar y llegar a dicha diferencia. Así que este autómata podría llegar hasta los 99-97/97-99, ya que sólo permite cifras de dos dígitos, pero la probabilidad de que no se dé una diferencia de dos puntos va disminuyendo desde el 5-5 hasta la siguientes posibles puntuaciones. Por ese motivo se ha pensado en poner estados hasta llegar a una probabilidad lo suficientemente baja como para que a lo largo del tiempo se de una puntuación de dicha diferencia. Como puede apreciarse en la Fig. 6.2.5., a partir del empate a 6-6 se ha hecho en genérico los siguientes estados del autómata, en los que la letra a, corresponde a la puntuación de un equipo y la letra b corresponde a la puntuación del equipo contrario. Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 33! Fig. 6.2.5. Autómata de Moore de los puntos de Tie-Break. Fuente: propia. Para determinar esta probabilidad nos basamos en que se trata de una probabilidad discreta, es decir, del fallo o acierto del jugador o jugadores de cada equipo. Por ejemplo, un equipo puede ganar un juego o perderlo y puede volver a ganarlo o puede perder dos veces seguidas, también puede ganar y luego perder, o perder y luego ganar. Este ejemplo se puede calcular, y da como resultado una probabilidad de 0,5. La probabilidad de que cada equipo gane un juego o dos es de 0,5 como se ha explicado en el ejemplo. A partir de esa probabilidad la de llegar a un empate de 5-5 en los sets, es de 0,246, tal y como se calcula con la Ec. 6.2.1., y se calcula igual para un 6-6 y así para cada empate, pero por ejemplo, para pasar de un 5-5 a un 20-20 la probabilidad es de 0,5 elevado a 15, que sería de 3,05E-5, resultado de aplicar la Ec. 6.2.2. Si estas probabilidades se van multiplicando para obtener la probabilidad total de llegar a por ejemplo, 20-18 o 18-20, el resultado es una probabilidad tan pequeña que se puede despreciar. !"#$%&"'5 − 5 = +,! .!·.! ·+ 0 +, (Ec. 6.2.1.) Pág. 34 Memoria Fig. 6.2.6. Gráfico de la probabilidad de pasar de un empate 5-5 hasta 20-20. Fuente: propia. !"#$5 − 5$'$20 −20 =+ , +- !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!(Ec. 6.2.2.) En el gráfico se muestra la probabilidad de empatar 5-5 y de seguir empatando hasta 20- 20 en el Tie-Break, y como se ha explicado anteriormente mediante ecuaciones, la probabilidad disminuye. Por ese motivo, se ha programado hasta 20-18 y 18-20, teniendo en cuenta también que se trata de un diseño de marcador para aficionados y no profesionales, que puedan superar esa puntuación con unos valores mayores. Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 35! Fig. 7.1.1.1. Pruebas del Hardware comprado. Fuente: propia. 7. Validación y test Para el desarrollo completo del prototipo se han realizado una serie de ensayos de componentes y circuitos, tal y como se detalla en los siguientes apartados. 7.1. Pruebas de Hardware Las primeras pruebas que se hicieron fueron de comprobación de los dispositivos electrónicos para corroborar que funcionaban correctamente. 7.1.1. Prueba 1 En la primera prueba se comprueba que funcionan bien los visualizadores siete segmentos, el microcontrolador y el módulo de radiofrecuencia, como se observa en la Fig.7.1.1.1., ya que van a ser una parte muy importante en el proyecto, y seguidamente se van también a ir comprobando el resto de dispositivos electrónicos que se requieren para el prototipo. Pág. 36 Memoria Fig. 7.1.2.1. Hardware inicial con exceso de cableado. Fuente: propia. 7.1.2. Prueba 2 En un principio se diseñó una primera versión del conjunto de hardware y software que consistía en utilizar decodificadores para reducir cables en los visualizadores 7 segmentos correspondientes a los sets. De esta manera, con un decodificador [9], se visualizaría el número que se quisiera con una codificación en binario natural [10]. Por otro lado, los visualizadores 7 segmentos de los puntos de juego irían conectados directamente al microcontrolador, todos por separado, como se observa en la Fig. 7.1.2.1. Este hardware tenia el gran problema de que se utilizaban demasiados cables y demasiadas salidas digitales al microcontrolador, y por ese motivo se planteó una alternativa más óptima. Otro de los problemas que aparecía era que no se iluminaban suficientes visualizadores 7 segmentos y por eso se optó por los interruptores de tipo BJT (Bipolar Junction Transistor) que permitieran dejar pasar corriente o no con una frecuencia de activación que creara intermitencias no visibles al ojo humano. Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 37! Fig. 7.2.1.1. Software inicial con muchos condicionales. Fuente: propia. 7.2. Pruebas de Software Se hicieron dos pruebas del programa general en las que posteriormente se les aplicarían pequeños cambios hasta llegar al programa final que incluía el Tie-Break. La primera prueba hacía referencia a un hardware inicial poco óptimo, y en la segunda prueba se añadió al programa de hardware optimizado, la programación del Timer. 7.2.1. Prueba 1 Inicialmente y según la prueba de hardware 2, se desarrolló un programa que iba comprobando condicionales, en los que cada uno tenía un estado y, una vez entraba en el condicional, se escribían los segmentos cada uno por separado. Esto requería muchas condiciones y muchas líneas de código que ocupaban demasiada memoria de programa, haciéndolo poco eficiente, como se observa en la Fig. 7.2.1.1. Por lo tanto, se pensó en hacer un autómata para que el programa fuese más óptimo y en el caso de ser necesario, introducir las condiciones dentro del autómata y así reducir la memoria de programa. Por otro lado, como en un principio se tenían decodificadores, se utilizó un código que codificaba números binarios a números que se querían visualizar para los sets, a diferencia de los puntos de juego que requerían alguna letra, como se indica en la Tabla 7.2.1.1. Pág. 38 Memoria Tabla. 7.2.1.1 Codificación del decodificador. Fuente: propia. Fig. 7.2.2.1. Pruebas del refresco de LEDs estándar. Fuente: propia. Número requerido Código en binario natural para decodificador Número requerido Código en binario natural para decodificador 0 0000 5 0101 1 0001 6 0110 2 0010 7 0111 3 0011 8 1000 4 0100 9 1001 7.2.2. Prueba 2 Una vez mejorada la parte de software correspondiente a los puntos de juego y los puntos de set, que se harían con autómatas, la parte de decodificadores se cambió según el hardware y al utilizar interruptores se pensó en utilizar un timer o temporizador, que permitiera encender y apagar los visualizadores tan rápido que, a simple vista, no se aprecie. De manera que se fue probando a diferentes frecuencias según el número de interruptores que se requerían para el hardware. Se utilizó una frecuencia de 8kHz ya que a 1kHz se apreciaba ese cambio del interruptor de encendido a apagado consecutivo. Antes de ponerlo en el programa definitivo, se hizo una prueba con LEDs (Light-Emitting Diode) estándar, como se observa en la Fig. 7.2.2.1. Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 39! Fig. 8.1.1. Velocidades según tipo de golpe y nivel de juego expresadas en [Km/h]. Fuente: [https://books.google.es/Nuevos_avances_en_investigación_en_pádel]. 8. Diseño y desarrollo de la cubierta Para poder hacer la cubierta del hardware se necesita saber en que condiciones estará expuesto el producto. 8.1. Tipo de material de la cubierta Como se trata de un marcador de puntos para pádel y este deporte se juega al aire libre, debe usarse un material resistente a los rayos UV (Ultra Violeta), es decir, que no absorba la radiación térmica del sol, y también resistente a impactos. Lo primero que se mirará es que sea un material elástico para que, si recibe un impacto de una pelota de pádel, no se rompa frágilmente o se pueda quebrar. Los materiales más ideales según las restricciones anteriores, son los plásticos de tipo polímero y materiales naturales. Para saber cuál es el plástico ideal para la cubierta se debe conocer la fuerza de impacto de las pelotas de pádel. En vez de calcular esa fuerza, se calculará la energía que puede absorber el plástico antes de quebrarse, esto se calcula a partir de la velocidad máxima que puede llegar asumir la pelota al ser lanzada. Para eso se han recogido datos de las velocidades medias registradas de varios tipos de golpe de pelota a mayor y menor nivel de juego como se observa en la Fig. 8.1.1. Seguidamente con esas velocidades se ha calculado la energía por metro desplazado. Pág. 40 Memoria Tabla 8.1.1. Resultado del cálculo de energías según tipo de golpe y de juego. Fuente: propia. Para calcular la energía que se absorbe en el impacto, se ha utilizado la Ec. 8.1.1. siguiente en la cual la velocidad está expresada en [m/s] y la masa en [Kg], por lo que antes de aplicarla se hará un cambio a las velocidades de la tabla pasándolas a [m/s]. La masa de las pelotas de pádel es de entre 56 y 59,4 [g], es decir, haciendo una media y pasándola a [Kg] para el cálculo de la energía nos daría de 0,0577 [Kg], como se indica en la Ec. 8.1.2. ! = # $·&' ( (Ec. 8.1.1.) ! = ## $%&$',) *·, ,--- (Ec. 8.1.2.) Los resultados obtenidos de energías, son los de la Tabla 8.1.1, con unidades de [J/m]. Tipo de golpe Velocidad (juego medio) Velocidad (juego alto) Energía (juego medio) Energía (juego alto) Remate directo 41,83 34,36 50,48 34,06 Remate por tres 29,10 31,11 24,43 27,92 Bajada de pared de derecha 29,56 30,44 25,21 26,73 Bajada de pared de revés 24,23 24,90 16,94 17,88 De los resultados obtenidos de energías, se deben coger los valores más altos, 50,48 y 34,06 [J/m], que son los que restringen más el tipo de material de la cubierta. En la Fig. 8.1.2. y la Fig. 8.1.3., se puede ver qué plásticos son idóneos para la cubierta. Se han seleccionado los que resisten a los rayos UV (Ultra Violeta), los que tienen baja conductividad térmica y los que tienen un coste menor. Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 41! Fig. 8.1.2. Materiales resistentes a los UV y con baja conductividad térmica. Fuente: propia. Fig. 8.1.3. Materiales según coste y energía que pueden absorben antes de la rotura. Fuente: propia. Pág. 48 Memoria 10. Impacto sobre el entorno En este proyecto se han utilizado diversos componentes tanto para el hardware como para la maqueta y se ha dividido en dos puntos, el impacto ambiental de los componentes del hardware y el impacto ambiental de los componentes de la maqueta o cubierta. 10.1. Impacto ambiental de los componentes del hardware Algunas partes de los componentes electrónicos utilizados en el proyecto pueden contener sustancias tóxicas cómo el arsénico, cadmio, fósforo, selenio o plomo. Hoy en día, existen diversas empresas que reciclan todos esos módulos electrónicos para la fabricación de nuevos componentes, de esa manera y con un programa de recogida de productos electrónicos, se evita la contaminación directa al medio. Se pretende utilizar una batería como las que se usan para cargar los móviles como fuente de alimentación del proyecto. Esto conlleva un impacto ambiental importante, ya que las baterías de polímero de litio [11] son contaminantes. El principal contaminante es el litio, debido a que es una sustancia metálica que reacciona con el nitrógeno, el vapor de agua y el oxígeno. Debido a esas peligrosas reacciones con el aire, se recubre con hidróxido de litio, carbonato de litio y nitrato de litio, lo que permite que no haya corrosión al ser expuesto al medio. Si se diera una reacción corrosiva, podría afectar a la fauna y la flora acuáticas. Por otro lado, el excesivo calentamiento de la batería podría provocar una explosión liberando sustancias en suspensión en el aire, creando vapores tóxicos e incluso muchas reacciones con sustancias que se encuentran en la naturaleza, afectando directamente al medio ambiente. Hoy en día, se utilizan técnicas para reciclar cuidadosamente el litio de muchas baterías. Esto conlleva una disminución de efectos y riesgos para el medio ambiente. Los principales procesos de reciclaje de litio se basan en la recuperación ultrasónica [12], que trata de recuperar el litio que se encuentra en dichas baterías para reutilizarlo al fabricar una nueva. Este proceso se lleva a cabo con ácidos orgánicos, que son respetuosos con el medio ambiente debido a su proceso posterior de biodegradación. Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 49! Fig. 9.1. Proceso de cavitación ultrasónica Figura. 10.1.1 Cavitación ultrasónica. Fuente: [https://www.hielscher.com]. Fig. 10.2.1 Símbolo del reciclaje del PVC. Fuente: [https://es.wikipedia.org]. 10.2. Impacto ambiental de los materiales de la cubierta El PVC (Polyvinyl Chloride) rígido, material de la cubierta, no interacciona con otras sustancias a temperatura ambiente. Ello quiere decir que no es un plástico toxico para el medio ambiente. Para reciclar este tipo de plástico existen tres maneras [14]. El reciclaje mecánico, que consiste en moler el PVC (Polyvinyl Chloride) desechado, luego se le añade un aditivo y se vuelve a crear una pieza. El reciclaje químico, que consiste en someter el PVC (Polyvinyl Chloride) a procesos químicos de baja temperatura y presión para descomponerlo y crear nuevos productos como aceites y gases. Finalmente el reciclaje energético, que trata de quemar el PVC (Polyvinyl Chloride) creando una combustión y utilizar la energía del material producida en la combustión. Pág. 50 Memoria 11. Agradecimientos Agradezco a Juan Manuel Moreno Eguilaz, director y tutor de este proyecto, lo mucho que me ha ayudad sobretodo con la parte de programación del software, así como la mejora de el prototipo y hardware. Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 51 Conclusiones La conclusión del proyecto es que en un principio a nivel de mercado se puede crear esta necesidad de marcador para el deporte del pádel a nivel usuario, porque se trata de un producto innovador. La viabilidad técnica es positiva, debido a que se cumplen las especificaciones descritas de cada componente y aplicadas al prototipo, se obtiene un resultado satisfactorio. De forma análoga al hardware, el software ha sido posible con el desarrollo de un único programa que implementa tanto el funcionamiento del control remoto, como el refresco de los visualizadores 7 segmentos, la iluminación correcta de cada Led según su código y los autómatas asociados a la puntuación de pádel. Una posible mejora del hardware sería la creación de una placa de circuito impreso PCB (Printed Circuit Board) con todas las conexiones descritas anteriormente y una mejora de software podría ser la utilización de un microcontrolador más barato. El estudio de la cubierta ha sido muy acertado, puesto que se ha conseguido, mediante el estudio de diversos materiales, llegando a escoger un material perfecto que cumpliese todas las restricciones descritas y con un diseño óptimo de bajo peso para el usuario. Los costes totales que se ven en los presupuestos son un poco elevados, dado que se trata de un prototipo. Si se quiere conseguir un producto a menor precio del estipulado según el cuestionario al usuario, la fabricación en serie del marcador de puntos podría reducir considerablemente estos costes, ya que como se ha comentado, el hardware se haría en placas impresas mucho más pequeñas y menos costosas en grandes cantidades. Los costes de la maqueta son realmente bajos en comparación a la utilización de otro material, ya que los plásticos en general son materiales muy baratos. Por último y de gran importancia, vale la pena destacar el hecho de que se usan materiales reutilizables, tanto en la parte electrónica como en la parte de la maqueta. Ello puede ser positivo si se quiere comercializar el producto y reducir costes, que es un punto importante a la hora de crear algo de bajo coste. Pàg. 52 Memòria Bibliografía Referencias bibliográficas [1] [https://es.wikipedia.org/wiki/Atmel, 5 de Marzo de 2018] [2] [http://www1.frm.utn.edu.ar/aplicada3/apuntes/unidad8.pdf, 8 de Marzo de 2018] [3] [https://es.wikipedia.org/wiki/Modulación_por_desplazamiento_de_amplitud, 10 de Mayo del 2018] [4] UNIVERSITAT POLITÉCNICA DE CATALUNYA, Barcelona, Diapositives del Departament d’Enginyeria Electrònica M2-T7, 2016. [5] [https://arduinobot.pbworks.com/f/Manual+Programacion+Arduino.pdf, 15 de Marzo de 2018] [6] UNIVERSITAT POLITÉCNICA DE CATALUNYA, Barcelona, Diapositives del Departament d’Enginyeria Electrònica M4-T24, 2016. [7] [https://www.prometec.net/timers/, 20 de Marzo del 2018] [8] UNIVERSITAT POLITÉCNICA DE CATALUNYA, Barcelona, Diapositives del Departament d’Enginyeria Electrònica M4-T28, 2016. [9] UNIVERSITAT POLITÉCNICA DE CATALUNYA, Barcelona, Diapositives del Departament d’Enginyeria Electrònica M4-T26, 2016. [10] UNIVERSITAT POLITÉCNICA DE CATALUNYA, Barcelona, Diapositives del Departament d’Enginyeria Electrònica M4-T24, 2016. [11] [https://es.wikipedia.org/wiki/Bater%C3%ADa_de_pol%C3%ADmero_de_litio, 15 de Mayo del 2018] [12] [https://www.hielscher.com/es/ultrasonics-for-the-recycling-of-lithium-ion-batteries.htm, 2 de Junio de 2018] [13] [http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2012/10/reciclado-de-pvc.html, 10 de Junio de 2018] Desarrollo de un sistema electrónico de puntuación manual de pádel Pág. 53 Bibliografía complementaria • Empresas fabricantes de marcadores de pádel https://www.tamtoo.com https://www.technologysport.com/tienda/es/39-marcadores http://www.cuma.es/productos/marcadores-deportivos/marcadores-electronicos-tenis-y- padel.html https://www.technologysport.com/tienda/es/home/551-marcador-de-red- deluxe.html?search_query=tenis&results=260 • Puntuación del pádel https://www.empadelados.com/puntuacion-padel/ • Información sobre módulos de radiofrecuencia http://www.bolanosdj.com.ar/TEORIA/MODULOS_DE_RF.pdf • Estadísticas del tie-break http://matematicasentumundo.es/DEPORTES/tenis_record.htm • Velocidades de golpe de pelotas de pádel: https://books.google.es/books?id=umctDwAAQBAJ&pg=PA56&dq=velocidades+de+pelotas +de+padel&hl=es&sa=X&ved=0ahUKEwjBtpiRss7bAhVMxaYKHYDZBxwQ6AEIKDAA#v=o nepage&q&f=false • Tabla propiedades del PVC (Polyvinyl Chloride) https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm15/fcm15_4.html • Pesos de pelotas pádel http://www.tennisballsaver.com.es/la-verdad-sobre-la-diferencia-entre-pelotas-de-tenis-y- pelotas-de-padel/ • Reciclaje de baterías https://es.wikipedia.org/wiki/Reciclaje_de_pilas_y_bater%C3%ADas Pàg. 54 Memòria • Reciclaje del PVC (Polyvinyl Chloride) rígido http://tecnologiadelosplasticos.blogspot.com/2012/10/reciclado-de-pvc.html