1. Integración de kits Arduinos
enlazados mediante Xbee para
aplicaciones de Cartomagia
Autor:
Javier Abascal Carrasco
Tutor:
Jose Ramón Cerquides Bueno
Fecha:
Jueves, 8 de Mayo de 2013
Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones

2. Índice
• 1. Introducción
• 2. Antecedentes y motivaciones
• 3. Sensor y acondicionamiento de la señal
• 4. Procesamiento y envío de la señal
• 5. Sistema completo
• 6. Funcionamiento y aplicaciones mágicas
• 7. Futuras líneas de trabajo
• 8. Conclusiones
• 9. Referencias
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08/05/2013 2Proyecto fin de Carrera

3. Índice
• 1. Introducción
• 2. Antecedentes y motivaciones
• 3. Sensor y acondicionamiento de la señal
• 4. Procesamiento y envío de la señal
• 5. Sistema completo
• 6. Funcionamiento y aplicaciones mágicas
• 7. Futuras líneas de trabajo
• 8. Conclusiones
• 9. Referencias
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08/05/2013 3Proyecto fin de Carrera

4. 1. Introducción
• Soporte de pesado sensible (Cartas Póker)
– Rápido, fiable y adaptable
• Comunicación inalámbrica con receptor
– Instantánea, segura y fiable.
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08/05/2013 4Proyecto fin de Carrera

5. Índice
• 1. Introducción
• 2. Antecedentes y motivaciones
• 3. Sensor y acondicionamiento de la señal
• 4. Procesamiento y envío de la señal
• 5. Sistema completo
• 6. Funcionamiento y aplicaciones mágicas
• 7. Futuras líneas de trabajo
• 8. Conclusiones
• 9. Referencias
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08/05/2013 5Proyecto fin de Carrera

6. 2. Antecedentes y motivaciones
• Antecedentes: (Por Juan Mayoral)
– Robert Houdin (Francés) pionero en el siglo XIX. Electroimán
– Anverdi, Klingsor y Christian Fechner
– Miniaturización  Electrónica moderna y al alcance de todos
• Motivaciones:
– Hobby desde el año 2006
– Experiencia recibida durante mi formación
– Poca diversidad de funcionamiento
– Nulo procesamiento de señal
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08/05/2013 6Proyecto fin de Carrera

7. Índice
• 1. Introducción
• 2. Antecedentes y motivaciones
• 3. Sensor y acondicionamiento de la señal
• 4. Procesamiento y envío de la señal
• 5. Sistema completo
• 6. Funcionamiento y aplicaciones mágicas
• 7. Futuras líneas de trabajo
• 8. Conclusiones
• 9. Referencias
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08/05/2013 7Proyecto fin de Carrera

8. 3. Sensor
Force Sensitive Resistor (FSR)
- Película de polímetro (PTF)
- Resistencia variable según la presión ejercida
- Baja sensibilidad (enfocado a pulsadores)
Load cells (células de carga)
- Elemento activo
- Convierte la fuerza ejercida en una señal electrica
- Galgas extensiómetricas en configuración puente de
Wheatstone
- Etapa de amplificación posterior necesaria
- Alta sensibilidad
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Sensor

9. Product Name Load Cell
Rated Load 1Kg/2.2lbs
Rated Output 1mV/V
Zero Output 0.05%F.S
Overall Precision 0.02%F.S
Precision Temperature 0.02%F.S
Working Temperature -10°C~+50°C
Compensated Temperature Range -10°C~+40°C
Safety Overload 150%
Recommend Excitation Voltage 10V DC
Max Excitation VoltageM 15V DC
Total Size 80 x 13 x 12mm / 3.1" x 0.5" x
0.47"(L*W*T)
Thead Hole Diameter
3.5mm / 0.138"
4.3mm / 0.169"
Cable Length 230mm/ 9''
Material Aluminium Alloy
Color Silver Tone
Weight 29g
Package Content 1 x Load Cell
3. Sensor
• Load cell adquirida:
– 9.89 $/unidad. Desde Mainland (China)
– Hoja de especificaciones
– Cálculos básicos (1 carta ≈ 1.7g)
• A carga completa (1kg) generamos una salida de 10 mV. Es decir, generamos una señal de
salida de:
• El error de precisión (0.02% F.S) produce un error de:
• Lectura de un gramo supera un 500% la precisión del error. Gran margen de seguridad
08/05/2013 Proyecto fin de Carrera 9
gmV
g
mV
/01.0
1000
10
mV
mV
002.0
100
02.0·10

10. 3. Acondicionamiento de la señal
08/05/2013 Proyecto fin de Carrera 10

11. 3. Acondicionamiento de la señal
• Puntos a cumplir para generar una señal útil:
– 1. Referencias de tensión para el sensor y el amplificador fijas y
estables
– 2. Amplificación correcta de la señal de salida de la load cell. Será leída
por el microcontrolador (kit Arduino)
– 3. Limitador de tensión para el CAD del kit Arduino 5V
– 4. Puesta a cero del sensor
• Soluciones:
– Amplificador INA125, reguladores de tensión (LM337 y ua7800) y
diodo Zenner.
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12. 3. Acondicionamiento de la señal.
(Amplificación correcta)
• Si ajustamos la amplificación a toda la escala de medida del sensor
(10mV):
• Debido a que el CAD del Arduino posee una precisión de
10bits, obtendremos 1024 pasos.
• Al ser el peso de una carta cercano a 1.7g, la salida del CAD no es segura
08/05/2013 Proyecto fin de Carrera 12
unidades
mV
V
500
10
5
pasog
pasos
g
/9765625.0
2
1000
10
pasomV
pasos
V
/8828.4
2
5
10
Número de cartas sobre
el sensor
Salida del sensor antes
de la amplificación
Salida del sensor tras la
amplificación
(multiplicamos por 500)
Lectura del CAD (4.8828
mV/bit)
1 (1.7 g)
1.7g · 0.01 mV/g
= 0.017 mV
8.5 mV 1.7408 = 2
2 (3.4 g) 0.034 mV 17 mV 3.4816 = 3
3 (5.1 g) 0.051 mV 25.5 mV 5.2224 = 5
4 (6.8 g) 0.068 mV 34 mV 6.9632 = 7
5 (8,5 g) 0.085 mV 42.5 mV 8.704 = 9
6 (10.2 g) 0.102 mV 51 mV 10.4448 = 10
… … … …

13. 3. Acondicionamiento de la señal.
(Amplificación correcta)
• Si ajustamos la amplificación sólo a 60 cartas:
• Ajustamos el peso máximo de la lectura en el CAD a 102 (10% de la carga
máxima). La amplificación queda multiplicada por 10. Es decir, 5000
unidades.
• Obtenemos:
– La lectura del Cad no disminuye la sensibilidad del sensor
– Nos permite equivocarnos incluso en 3 bits
– Diferencias entre cartas de 17-18 unidades
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g
carta
g
cartas 102
7.1
·60
Número de cartas sobre
el sensor
Salida del sensor antes
de la amplificación
Salida del sensor tras la
amplificación
(multiplicamos por
5000)
Lectura del CAD (4.8828
mV/bit)
1 (1.7 g)
1.7g · 0.01 mV/g
= 0.017 mV
85 mV 17.408 = 17
2 (3.4 g) 0.034 mV 170 mV 34.816 = 35
3 (5.1 g) 0.051 mV 255 mV 52.224 = 52
4 (6.8 g) 0.068 mV 340 mV 69.632 = 70
5 (8,5 g) 0.085 mV 425 mV 87.04 = 88
6 (10.2 g) 0.102 mV 510 mV 104.448 = 104
… … … …

14. 3. Acondicionamiento de la señal
• Puntos a cumplir para generar una señal útil:
– 1. Referencias de tensión para el sensor y el amplificador fijas y
estables
– 2. Amplificación correcta de la señal de salida de la load cell. Será leída
por el microcontrolador (kit Arduino)
– 3. Limitador de tensión para el CAD del kit Arduino 5V
– 4. Puesta a cero del sensor
• Soluciones:
– Amplificador INA125, reguladores de tensión (LM337 y ua7800) y
diodo Zenner.
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15. 3. Amplificador INA 125
• Amplificador de instrumentación
– Amplificación variable de 4 a 10000 unidades
– 4 Referencias de tensión incluidas (1.24V, 2.5V, 5V y 10V)
– Offset trimming incorporado  Puesta a cero
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16. 3. Diseño del PCB
• Programa de CAD EAGLE v6.3.0
• Versión de prueba (con limitaciones)
• Editor de Layout, editor de esquemas y el autorouter
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17. 3. Diseño del PCB
08/05/2013 Proyecto fin de Carrera 17

18. 3. Acondicionamiento de la señal
08/05/2013 Proyecto fin de Carrera 18

19. Índice
• 1. Introducción
• 2. Antecedentes y motivaciones
• 3. Sensor y acondicionamiento de la señal
• 4. Procesamiento y envío de la señal
• 5. Sistema completo
• 6. Funcionamiento y aplicaciones mágicas
• 7. Futuras líneas de trabajo
• 8. Conclusiones
• 9. Referencias
Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones
08/05/2013 19Proyecto fin de Carrera

20. 4. Kits Arduinos
• Arduino nos ofrece:
– Microcontrolador instalado y preparado en una placa
– Variedad de pines I/O analógicos y digitales
– Compatibilidad con telecomunicaciones inalámbricas (Compatibilidad
Xbee)
– Multitud de diferentes opciones según objetivos (energía, tamaño,
compatibilidad…)
– Fácil uso, reducido coste y gran soporte
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21. 4. Kits Arduinos
• Productos Adquiridos:
– Arduino Duemilanove
– Arduino Fio
– Dos módulos Xbee y Xbee Shield
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22. 4. Módulos Xbee
• Módulos de radio basados en el estándar IEEE 802.15.4
• Comunicaciones por aire punto a punto y punto a multipunto a una tasa
de hasta 250 kbit/s
• Parecido al protocolo de comunicaciones para redes de sensores Zigbee:
– Bajo consumo de potencia (1mW – 100mW)
– Redes con identificadores únicos
– 65.000 direcciones para cada uno de los 16 canales disponibles
– Rango de hasta 25km
• Módulo elegido Xbee 2mW PCB Antena –Series 2-
– Hasta 120m (30 en interiores)
– Consumo limitado a 2mW
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23. 4. Programación de los
microcontroladores
• Arduino ofrece su propio entorno de desarrollo
– Simplifica la conexión con los diferentes módulos
– Comprobador de errores, compilador y volcado de texto propio
– Lenguaje C/C++ con excepciones
• Funciones a destacar en la programación:
– Lectura ánalógica (10.000 lecturas por segundo)
• 2000 lecturas oscilación estable
– Activación de los displays 7-segmentos
• Conmutación de 20 ms
– Puesta a cero digital (2 lecturas separadas en el tiempo)
08/05/2013 Proyecto fin de Carrera 23

24. Índice
• 1. Introducción
• 2. Antecedentes y motivaciones
• 3. Sensor y acondicionamiento de la señal
• 4. Procesamiento y envío de la señal
• 5. Sistema completo
• 6. Funcionamiento y aplicaciones mágicas
• 7. Futuras líneas de trabajo
• 8. Conclusiones
• 9. Referencias
Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones
08/05/2013 24Proyecto fin de Carrera

25. 5. Posicionamiento de los elementos
08/05/2013 Proyecto fin de Carrera 25

26. 5. Camuflaje
08/05/2013 Proyecto fin de Carrera 26

27. Índice
• 1. Introducción
• 2. Antecedentes y motivaciones
• 3. Sensor y acondicionamiento de la señal
• 4. Procesamiento y envío de la señal
• 5. Sistema completo
• 6. Funcionamiento y aplicaciones mágicas
• 7. Futuras líneas de trabajo
• 8. Conclusiones
• 9. Referencias
Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones
08/05/2013 27Proyecto fin de Carrera

28. 6. Funcionamiento y aplicaciones
mágicas
• Disponemos de dos lugares donde obtener la información
• Pulsadores de control total a distancia
• Interruptor de visionado sin manos
• Experiencia mágica necesaria para sacar el máximo partido
• Multitud de efectos posibles:
– Localización de cartas
– Forzajes
– Distinguir entre diferentes objetos
– Adivinaciones directas
– Etc.
08/05/2013 Proyecto fin de Carrera 28

29. Índice
• 1. Introducción
• 2. Antecedentes y motivaciones
• 3. Sensor y acondicionamiento de la señal
• 4. Procesamiento y envío de la señal
• 5. Sistema completo
• 6. Funcionamiento y aplicaciones mágicas
• 7. Futuras líneas de trabajo
• 8. Conclusiones
• 9. Referencias
Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones
08/05/2013 29Proyecto fin de Carrera

30. 7. Futuras líneas de trabajo
• Versión 1.0
• Mejorar la fiabilidad y tamaño
• Multitud de cosas por realizar:
– Reunir todos los efectos y técnicas posibles con el dispositivo
– Mejorar la programación (Consumo e introducir rutinas)
– Ampliar el número de sensores a utilizar (matriz 3x3)
– Crear diferentes receptores según las circunstancias (estuche de cartas)
– Crear un producto comercial (Maletín todo en uno)
08/05/2013 Proyecto fin de Carrera 30

31. Índice
• 1. Introducción
• 2. Antecedentes y motivaciones
• 3. Sensor y acondicionamiento de la señal
• 4. Procesamiento y envío de la señal
• 5. Sistema completo
• 6. Funcionamiento y aplicaciones mágicas
• 7. Futuras líneas de trabajo
• 8. Conclusiones
• 9. Referencias
Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones
08/05/2013 31Proyecto fin de Carrera

32. 8. Conclusiones
• Plena satisfacción por el trabajo realizado
• Gran adquisición de conocimientos prácticos sobre las
materias recibidas en los estudios universitarios
• Agradecer la oportunidad recibida
• 32º Congreso Mágico Nacional de Magia
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33. Índice
• 1. Introducción
• 2. Antecedentes y motivaciones
• 3. Sensor y acondicionamiento de la señal
• 4. Procesamiento y envío de la señal
• 5. Sistema completo
• 6. Funcionamiento y aplicaciones mágicas
• 7. Futuras líneas de trabajo
• 8. Conclusiones
• 9. Referencias
Departamento de Teoría de la Señal y Comunicaciones
08/05/2013 33Proyecto fin de Carrera

34. 9. Referencias
• Bibliografía recopilada en el PFC
“Integración de kits Arduinos enlazados mediante Xbee para
aplicaciones de Cartomagia” (Javier Abascal Carrasco / 24
abril de 2013)
• Gracias por vuestra atención
08/05/2013 Proyecto fin de Carrera 34

35. 4. Módulos Xbee
• Configuración de los módulos Xbee
• Digi Internacional proporciona el software X-CTU
– Interfaz sencilla
– Base de datos con los diferentes módulos existentes
08/05/2013 Proyecto fin de Carrera 35
Comando Descripción Valores válidos Valor por
defecto
ID
El ID de la red del
módulo Xbee.
0 - 0xFFFF 3332
CH
El canal del módulo
Xbee.
0x0B - 0x1A 0X0C
SH y SL
El número serie del
módulo Xbee
(SH devuelve los 32 bits
superiores, SL los 32
inferiores). De solo-
lectura.
0 - 0xFFFFFFFF
(para ambos SH y SL)
Diferente para cada
módulo
MY
La dirección de 16-bit del
módulo.
0 - 0xFFFF 0
DH y DL
La dirección de destino
para las comunicaciones
inalámbricas (DH son los
32 bits
superiores, DL son los 32
inferiores).
0 - 0xFFFFFFFF
(para ambos DH y DL)
0 (para ambos DH y DL)
BD
La velocidad de
transmisión usada para
las comunicaciones con
el Arduino o el
ordenador.
0 (1200 bps)
1 (2400 bps)
2 (4800 bps)
3 (9600 bps)
4 (19200 bps)
5 (38400 bps)
6 (57600 bps)
7 (115200 bps)
3 (9600 bps)