Ejemplo de entrega de anteproyecto de ingeniería electrónica, el ejemplo es de una maquina CNC y es una propuesta para elaborar dicho dispositivo como proyecto de examen privado, también califico como posible proyecto de carrera.

1. ANTEPROYECTO DE PRIVADO PRÁCTICO
INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA – TELECOMUNICACIONES
INFORMACION GENERAL
CARRERA: Ingeniería en Electrónica
FECHA DE ENTREGA: Martes, 23 de agosto de 2011
TITULO DE Control Numérico Computarizado Para Tallado De Texto Y
PROYECTO: Formas
DESCRIPCION: Es una maquina automatizada que puede tallar varias formas e
incluso texto sobre superficies como madera u otro material
maleable que de forma manual consumiría mucho tiempo y
agotamiento físico por parte de un artesano. Con esta
herramienta se quiere demostrar el uso de las técnicas de
manufactura asistidas por computadora para la mejora de los
procesos de la producción.
INFORMACION DEL ALUMNO
NOMBRE: José Paul Alvarado Robles
CARNÉ: 200807519
TELEFONO: 40704578, 77631274
CORREO: paulalvarado02@gmail.com
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2. INTRODUCCIÓN
El proyecto de una maquina CNC consiste en la elaboración de una maquina
automatizada que se encarga de tallar en un material desgastable o erosionable, en este
caso Poliestireno Expandido (Duroport), figuras o texto. La máquina tendría que recibir un
mapa de datos que contendría las coordenadas de los trazos que se necesitarían para
lograr el tallado de las figuras. El dispositivo tendría un conjunto de circuitos y
microprocesadores que le ayudarían a posicionar el actuador sobre el material para que
pueda moldearlo. El actuador se movería en tres ejes, de tal forma que lograría un
movimiento tridimensional que controlaría profundidad, alto y ancho.
DEFINICION Y DELIMITACION DEL PROBLEMA
Esta herramienta tiene como propósito aplicar los procesos de manufactura
automatizados. Lo que intenta resolver es que un proceso largo y tedioso que consume
mucho tiempo y en el que no siempre se obtiene el mismo resultado, se estandarice y se
obtenga el mismo resultado y se aproveche el tiempo en otros procesos como el
ensamblaje o pintura.
Funcionamiento
Como explicamos anteriormente es una herramienta que sirve para tallar formas,
pero este proyecto busca crear las formas bajo relieve, es decir que tallara en profundidad
el material, los objetos no quedaran en bulto o sobresaliendo del material, quedaran
marcados en el material desgastando la superficie del mismo.
El sistema está diseñado de tal forma que permitirá el movimiento en tres
dimensiones para posicionar un actuador (un taladro) el deberá moverse en 3 ejes y así
empezar a desgastar el material, el actuador será posicionado a través de motores
stepper que permiten el movimiento controlado. El sistema recibirá instrucciones de la
computadora que serán procesados y adaptados por circuitos electrónicos y
microcontroladores para luego ser traducidos en movimientos que ejecutara la maquina
CNC.
Rieles para movimiento en X
Fin de extensión y broca
Movimiento Z
Eje de movimiento Y
Extensión de taladro
Aquí va el material
Taladro
Figura 1. Diagrama general estructura mecánica.
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3. Esta herramienta contempla el uso de 3 ejes de movimiento (x,y,z) de los cuales dos se
moverán a lo largo y ancho del material a trabajar y un tercer eje controlara profundidad
con que se realizara el tallado.
A continuación una descripción pasó a paso cómo funciona el proyecto:
1. Primero debe iniciarse una aplicación en la PC la cual será la encargada de
controlar el funcionamiento del equipo y por medio del cual se ingresaran los
diseños a plasmar en el material que consistirá de un determinado número de
figuras trigonométricas, este software permitirá definir la posición, tamaño y
profundidad de la figura a tallar.
2. Luego de haber finalizado el diseño se debe transferir los datos a la maquina los
cuales serán enviados por USB y para luego ser distribuidos en los actuadores
correspondientes los cuales recibirán los datos y lo traducirán en movimiento.
3. Estos actuadores serán encargados de posicionar el actuador principal el cual se
encargara de realizar el tallado del material, el cual será un taladro de precisión,
pequeño de 110v el cual deberá ser activado por el circuito.
4. Para que el material sea totalmente tallado se realizar por pasos, es decir primero
se tallara la forma en una capa poco profunda y se volverá a repetir el proceso
hasta llegar a la profundidad deseada.
Ingreso de diseños
Para ingresar los diseños al sistema se utilizara un software similar a este, que su
función principal es ser una interface humano-maquina, que permita al usuario ingresar
los diseños que se quieran plasmar en el material de una manera relativamente sencilla,
recordemos que otros sistemas CNC utilizan diseños elaborados en AutoCAD, lo que
implica que los usuarios estén capacitados en ese software, que al mismo tiempo
complica el diseño, ya que es un programa difícil de usar.
Figura 2. Interface principal de diseño.
Este software resuelve varios problemas con respecto a los alcances y límites del
proyecto, ya que esta aplicación solo permite ingresar los diseños que se encuentran
predefinidos en el programa, además es coherente con el funcionamiento del sistema, ya
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4. que define la profundidad con se tallaran las figuras, recordemos que este sistema
modelara figuras bajo relieve.
Figura 3. Cuadros de dialogo para ingreso de parámetros de gráficas.
En la gráfica anterior se presentan algunos de los cuadros de dialogo que
podremos usar en el software donde definiremos parámetros importantes de las figuras a
ejecutar por la máquina, estos datos como posición en X y Y, radio, profundidad Z, etc.,
cada parámetro de acuerdo a la figura que se va a realizar.
El proyecto está conformado a grandes rasgos de esta forma:
 Actuadores: serian básicamente cuatro, tres motores stepper para los movimientos
dimensionales y un taladro ligero para realizar los tallados.
 Estructura: La estructura será diseña principalmente en madera y algunas partes
en metal, donde sea necesario reforzar, dicha estructura será pensada para la
movilidad del actuador y que con sus mismas dimensiones permita definir las
dimensiones máximas de los materiales a procesar.
 Sensores & Sistemas de Control: para comprobar que los movimientos realizados
por la maquina sean los correctos y al mismo tiempo poder detectar fallas en los
actuadores, además se incluirán sensores de voltaje y corriente para verificar el
buen funcionamiento del barreno.
 Comunicación y HMI: será la Interface Humano-Maquina (HMI) una combinación
de un software con interface visual amigable con el usuario y el puerto USB para la
comunicación de datos con una computadora, en la cual se hará el diseño de las
formas que serán ingresadas al sistema CNC para su procesado, así como un
control externo para los procesos, como parada de emergencia (Cancelación o
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5. Aborto), pausa de ejecución y reinicio así como mediciones, estadísticas y
diagnósticos de falla.
Límites y Alcances
 El sistema solo puede actuar sobre materiales moldeables y con baja dureza, en
esta ocasión se eligió el Poliestireno Expandido (Duroport).
 El tamaño de la pieza a moldear será limitado, lo suficiente mente grande para
obtener buenos resultados y pero no tan grande que se alargue el tiempo del
proceso de tallado,
 Las formas a que estará limitado a 5 figuras definidas por el software que serían
circulo, rectángulo, triangulo, hexágono, estrella y un botón que permitirá hacer un
diseño libre llenando una matriz de tamaño limitado, que será aproximadamente
un 1/4 de la resolución total para que no sea demasiado tedioso el ingreso de los
datos.
 Los diseños solo podrán ingresarse a través del software de interface, a través del
cual se validaran para su posterior materialización.
 Las figuras que el sistema puede realizar son “bajo relieve”, tal y como se aclara
en la figura 4.
 Los componentes con que se elaborara el sistema serán conseguidos localmente,
esto reducirá costos y tiempos de elaboración en el proyecto.
Figura 4. Figura bajo relieve izquierda, figura en relieve derecha.
JUSTIFICACION
Este proyecto tiene como objetivo utilizar la automatización de procesos de
producción y manufactura, incluso los no repetitivos, donde un lote de producción no es
igual al anterior y inclusive cuando la producción puede variar de unidad en unidad,
permitiendo personalizar el producto para los clientes y tener un mejor tiempo de
respuesta cuando se realizan cambios significativos en la demanda.
Otro concepto que se pone a prueba es la manufactura asistida por computadora
(CAM, por sus siglas en ingles) que tiene como objetivo que la interface humano-maquina
a través de una computadora hace más fácil el proceso de comunicación con la máquina
para trasladar ideas y diseños además, permite la flexibilidad de establecer la forma en
que se ingresa la información a la interfaz.
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6. OBJETIVOS
General
 Poner en práctica la automatización industrial y mejorar los procesos de
producción repetitivos y no repetitivos.
Específicos
 Diseñar un sistema automatizado bajo el concepto CAM y generar una interfaz
amigable con el usuario.
 Resolver el problema de cómo comunicar adecuadamente la información
ingresada por el usuario y como interpretarla de manera adecuada de tal manera
que la maquina pueda ejecutarla de manera óptima.
 Resolver el problema de coordinación de varios actuadores funcionando al mismo
tiempo.
 Resolver problemas de diseño mecánico en la estructura para no sobreexigir los
actuadores.
ANTECEDENTES
Control Numérico Computarizado
El control numérico (CN) es un sistema de automatización de máquinas herramienta que
son operadas mediante comandos programados en un medio de almacenamiento, en
comparación con el mando manual mediante volantes o palancas.
Las primeras máquinas de control numérico se
construyeron en los años 1940 y 1950,
basadas en las máquinas existentes con
motores modificados cuyos mandos se
accionaban automáticamente siguiendo las
instrucciones dadas en un sistema de tarjeta
perforada. Estos servomecanismos iniciales se
desarrollaron rápidamente con equipos
analógicos y digitales. El abaratamiento y
miniaturización de los microprocesadores ha
generalizado la electrónica digital en las
máquinas herramienta, lo que dio lugar a la
denominación control numérico por
computadora o control numérico por
computador (CNC), para diferenciarlas de las
máquinas que no tenían computadora. En la
actualidad se usa el término control numérico
para referirse a este tipo de sistemas, con o sin computadora. Este sistema ha
revolucionado la industria debido al abaratamiento de microprocesadores y a la
simplificación de la programación de las máquinas de CN.
Principio de funcionamiento
Para mecanizar una pieza se usa un sistema de coordenadas que especificarán el
movimiento de la herramienta de corte.
El sistema se basa en el control de los movimientos de la herramienta de trabajo con
relación a los ejes de coordenadas de la máquina, usando un programa informático
ejecutado por un ordenador.
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7. En el caso de un torno, hace falta controlar los movimientos de la herramienta en dos ejes
de coordenadas: el eje de las X para los desplazamientos laterales del carro y el eje de
las Z para los desplazamientos transversales de la torre.
En el caso de las fresadoras se controlan los desplazamientos verticales, que
corresponden al eje Z. Para ello se incorporan servomotores en los mecanismos de
desplazamiento del carro y la torreta, en el caso de los tornos, y en la mesa en el caso de
la fresadora; dependiendo de la capacidad de la máquina, esto puede no ser limitado
únicamente a tres ejes.
Aparte de aplicarse en las máquinas-herramienta para modelar metales, el CNC se usa
en la fabricación de muchos otros productos de ebanistería, carpintería, etc.
DESARROLLO E IMPLEMENTACION
Para el desarrollo e implementación del proyecto se necesitan cubrir ciertos
requerimientos para que el examen privado cumpla con la finalidad de probar los
conocimientos del alumno, es por eso que se describirán cada una de las etapas
relacionadas con las áreas electrónicas a evaluar a continuación:
 Estructura mecánica: en esta etapa se debe contemplar como la maquina
desarrollara sus movimientos es por eso que se debe establecer lo que es
posicionamiento de motores y actuadores, en este punto entra a funcionar la
electrónica analógica y de potencia, ya que debemos tener un circuito que permita
dotar de suficiente corriente a los motores y puedan mover el actuador, y al mismo
tiempo tener un circuito que permita activar el actuador principal (taladro) el cual
funcionara con 110v.
 Sistema de coordinación: este sistema es el encardo de activar los actuadores y
coordinarlos para que ejecuten las instrucción de manera ordenada y coherente de
tal forma que se obtengan los resultados deseados en el procesamiento del
material, ya que se usaran motores paso a paso, se debe de utilizar una secuencia
de bits para poderlos usar, por lo cual se usara electrónica digital a través de
compuertas lógicas y microcontroladores para cada uno de los actuadores los
cuales de comunicaran a través de un bus de datos y un bus de control.
 Sensores y control: este sistema se encarga de verificar el funcionamiento correcto
de los actuadores y es el encargado de verificar que los componentes estén en la
posición correcta y realicen la acción correspondiente, implica el uso de
electrónica analógica para el sensores ópticos de distancia así como sensores
discretos para detectar finales de carrera o funcionamiento de algún dispositivo.
 Sistema de Comunicación: el sistema de comunicación será basado en USB, para
la comunicación ágil y certera con la computadora, ya que ahí se establecerá una
interface donde se desarrollara un sistema para el ingreso de las instrucciones y
diseños que serán ejecutados por la máquina.
 Interface de Usuario: Es una parte importante del sistema que se encargara de
interpretar las ideas e instrucciones del usuario para traducirlas a comandos
numéricos que el sistema digital de control numérico pueda ejecutar. Esta parte
también se encarga de facilitar el ingreso de información del usuario.
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8. Lista de Hardware
 Taladro pequeño
 Motores Stepper
 Pic 16F877A
 Pic 18F2455
 Transistores de potencia Tip 31 y Tip 32
 Triac MOC3011
 Triac TIP250
 Programador PicKit2
 Partes de alumnio, plástico y madera para la estructura.
 Componentes electrónicos varios (capacitores, resistencias, LEDs, compuertas,
conectores, etc.)
Lista de Software
 Pic C Compiler (CCS PCWHD)
 Pickit2 Programer Interface V2.61
 Visual Studio 2008 (C#)
Diagrama de bloques general
DATOS NUMERICOS
MEDICION DE
CON IDENTIFICADOR ACTUADORES
POSICION
DE ACTUADOR
COORDINACION
& RETROALIMENTACION SENSORES
CONTROL
DATOS NUMERICOS O
DE POSICION
COMUNICACIÓN DE INTERFACE DE
DATOS PROCESADOS
DATOS USUARIO
Descripción: El sistema en general pues empezara desde la interface de usuario, donde los datos
serán procesados para luego ser trasladados al circuito a través de comunicación vía USB, estos
datos consisten en si de un valor de posición y el identificador del actuador que se va activar.
Cuando ya se obtiene este dato pasa por un circuito de coordinación y control que activa el
actuador correspondiente y lo mueve a la posición indicada, a la vez se mide su posición para
verificar si se ejecutó la instrucción correctamente.
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9. Diagrama de bloques de cada etapa
Bloque de Interface
FUNCION DE
PUERTO USB
TRANSFERENCIA DATO POSICION Y ACTUADOR
DE LA PC
DE DATOS
POSICIONES X,Y,Z
FUNCION DE
CONVERSION DE GUI PRINCIPAL
MAPA DE PIXELES MAPA DE PIXELES INGRESO DE
A MATRIZ DE DISEÑO
POSICIONES
Descripción: el bloque de interface describe la capa de software que mediara entre lo que el
operador de la maquina quiere plasmar y lo que la maquina puede entender por instrucciones,
existirá una interfaz gráfica como la descrita anteriormente que servirá para ingresar datos y
visualizar los datos para luego procesarlos y convertirlos de un mapa de pixeles a una matriz de
posiciones de que contendrá las posiciones en X-Y-Z, luego de obtener estos datos se procede a
simplificarlos y convertirlos en un flujo de datos de posición-actuador que luego serán ejecutados
para convertirse en movimiento.
Bloque de Comunicación, Coordinación y Control
MOTOR
STEPPER
SISTEMA DE COORDINACION MOTOR
PIC16F877A STEPPER
MOTOR
STEPPER
DATO POSICION Y ACTUADOR
CIRCUITO DE
POTENCIA
TIP 31, 32
ACTIVACION INTERFAZ DE POTENCIA CIRCUITO DE POTENCIA
- CON MOC3011 SEÑAL ANALOGA CON TRIAC 110Vac Regulados TALADRO
DESACTIVACION CONTROL 110 Vac
MICROCONTROLADOR
CON USB DATO POSICION Y ACTUADOR PUERTO USB
PIC 18F2455
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10. Descripción: después que se reciben los datos del bloque de interface y son transferidos por el
puerto USB, se reciben los datos de posición y actuador en un flujo secuencial, que serán
ejecutados de forma individual, el microcontrolador PIC18F2455, será el encargado de enviar este
dato de posición al PIC16F877A que será el controlador de los motores Stepper, este a su vez
estará conectado a una etapa de potencia que se encargara de dotar de suficiente corriente al
stepper para que pueda funcionar. También tenemos un circuito que activara el barreno, esta
activación deberá ejecutarse antes de ejecutarse la primera iteración en el movimiento del eje Z.
Bloque Sensores
DATOS DE POSICION PIC18F2455
VARIACION DE FOTODIODO LED INFRAROJO
ADC DE PIC 16F690 HAZ INFRAROJO
VOLTAJE SENSOR RECEPTOR SENSOR EMISOR
Descripción: este diagrama describe la interacción de los sensores con la máquina, el
sensor será óptico, habrá un emisor de luz infrarroja que será recibido por un fotodiodo
que medirá la intensidad del haz de luz infrarroja, de esta forma será convertido de señal
análoga a digital, será procesado este dato en el PIC16F690 para coincidir con los datos
de posición, para luego comparar con lo que se ejecutó en el PIC18F, si no cumple se
intentara llegar nuevamente a la posición.
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11. Diagrama de flujo de software
USUARIO
INFO DE
EJECUCIÓN
MAPA DE
COMANDOS
POSICIONES
HMI
ERROR
DATOS
DATOS
F1: ALMACEN DE DATOS
VALIDACION NUMERICOS
TOKENS VALIDOS
PROCESAMIENTO DATOS NUMERICOS
INTRUCCIONES NUMERICAS
BUFFER
DATOS NUMERICOS
TRANSFERENCIA
INSTRUCCIONES NUMERICAS
MICROCONTROLADOR
USB
Descripción: este proceso inicia con el usuario que interactúa con la interface HMI, esta a su vez
sirve como intermediaria entre los diseños que son ingresados a la máquina y los datos que son
ingresados y los datos que puede entender la máquina, después que los datos son intermediados
por HMI entran a una etapa de validación donde se verifica que no hayan incoherencias,
principalmente en cuestiones de profundidad de las capaz, es decir que la capa siguiente sea más
profunda que la anterior. Ya validados los modelos ocurre lo que se explicaba en el bloque de
interface, se lee el modelo en mapa de pixeles, se convierte en matriz de posiciones y luego se
convierte en un flujo de posición-actuador, que luego es transferido al circuito de la maquina vía
USB.
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12. DIAGRAMAS DE CIRCUITO DE ACTIVACION DEL BARRENO
Circuito 1. Triac para activar taladro de 110v
Descripción: este circuito servirá para activar digitalmente el barreno, se utilizara un optotriac y un
triac en configuración de carga inductiva, pensando en el motor del taladro, además podríamos
describir este circuito como un relé de estado sólido, echo a base de semiconductores, cumpliendo
con las reglas del privado que prohíbe relés electromecánicos. Como se ve en la figura en la pata
dos va la señal de activación digital, esta invertida ya que es el cátodo del LED de activación
interno del optotriac.
CRONOGRAMA
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD
Tras el establecimiento de todos los componentes tanto hardware, software y
arquitectura electrónica, necesarios para la elaboración del proyecto pues debemos de
analizar detenidamente si es posible realizar el proyecto con los recursos disponibles
dependiendo de nuestra condición geográfica e incluso si no los tuviéramos localmente
que tanto afectaría pedirlos en el extranjero.
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13. Dentro de los factores a analizar tenemos los que son determinantes para la
finalización del proyecto final, estos factores son los siguientes:
 Disponibilidad de componentes: todos los componentes se obtienen localmente,
principalmente de impresoras usadas, los dos microcontroladores se consiguen
localmente así como el resto de semiconductores y componentes. La estructura en
primera instancia será echa de madera, aunque como segunda opción están
placas de metal, en último caso todo se obtiene localmente. Se tiene como plan de
contingencia en los motores de mayor potencia pedidos en el extranjero que
posiblemente serán solicitados desde la primera semana de trabajo.
 Dificultad técnica: pues hay antecedentes de trabajos en la universidad de trabajos
de robótica y automatización hechos con motores stepper, por ejemplo, el brazo
robótico del laboratorio, que si resulto funcional, es por eso que la dificultad técnica
radica en la coordinación de los componentes y en manejar de manera adecuada
la estructura para que no sobrecargue a los motores.
 Riesgo: el riesgo del proyecto se encuentra principalmente en resolver la primera
etapa de la estructura mecánica, ya que si esta no es adecuada en pesos y
rendimiento mecánico puede provocar retrasos y rediseños de estructuras,
echando a perder el tiempo de calendarización, es por eso que se debe de tener
mucho cuidado en esa etapa, ay que el desarrollo del software representa menos
riesgo siempre y cuando se tenga un mínimo de 3 semanas de trabaja, tomando
en cuenta que todo está planificado para 7 semanas.
No. Etapa o Fase Riesgo
1 Estructura Muy Alto
2 Sistema de coordinación Alto
3 Sensores y control Alto
4 Comunicación de datos Medio
5 Interface de Usuario y procesamiento de datos Medio
 Económica - Precio de componentes: en este caso pues los costos se pueden
reducir un poco ya que todos los componentes se consiguen localmente, los
microcontroladores se consiguen a precios razonables así como los stepper se
consiguen a precios bajos, a continuación una estimación de costos general del
proyecto
Componente Precio
Microcontroladores Q 250.00
Estructura Q 200.00
Resto de componentes Q 150.00
Total: Q 600.00
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14. BIBLIOGRAFIA
 http://es.wikipedia.org/wiki/Control_num%C3%A9rico
 http://es.wikipedia.org/wiki/Fabricaci%C3%B3n_asistida_por_computadora
 http://www.instructables.com/id/Easy-to-Build-Desk-Top-3-Axis-CNC-Milling-Machine/
 http://www.forosdeelectronica.com/f19/fresadora-cnc-muy-simple-barata-20897/
GLOSARIO
 CAM: Computer-aided Manufacturing o Manufactura asistida por computadora,
son el conjunto de tecnologías que permiten la fabricación de productos de forma
automatizada y que al mismo tiempo permite la rápida reprogramación y
modificación de las maquinas a través de una interfaz para computador diseñada
para el manejo de un operador.
 CNC: Control numérico computarizado, son máquinas de producción a las que se
les puede ingresar instrucciones por medio de instrucciones especiales que se
convierten en un flujo de datos numéricos que una computadora o
microcontrolador traduce en acciones.
 Stepper: también conocido como el motor paso a paso es un dispositivo
electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en
desplazamientos angulares discretos, lo que significa es que es capaz de avanzar
una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso
a paso se comporta de la misma manera que una conversión digital-analógica y
puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos.
 HMI: Human-Machine Interface, interface humano-maquina o también conocido
como interfaz de usuario, es el medio con que el usuario puede comunicarse con
una máquina, un equipo o una computadora, y comprende todos los puntos de
contacto entre el usuario y el equipo, normalmente suelen ser fáciles de entender y
fáciles de accionar.
 Duroport: Polietileno expandido es un material plástico espumado, derivado del
Poliestireno y utilizado en el sector del envase y la construcción.
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15. ANEXOS
Circuito 1. Diagrama de los diferentes conectores USB.
Circuito 2. Diagrama de conexión y configuración del PIC USB.
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