Diseño y construcción de un controlador LED con múltiples modos de funcionamiento

Harwood Fernández, Stephen (2017). Diseño y construcción de un controlador LED con múltiples modos de funcionamiento. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Diseño y construcción de un controlador LED con múltiples modos de funcionamiento
Autor/es:
  • Harwood Fernández, Stephen
Director/es:
  • Torroja Fungairiño, Yago
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Julio 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Este trabajo va enfocado a la mejora de los sistemas de luminiscencia en la industria del entretenimiento. Especialmente en el control de numerosos leds. El autor de este proyecto está realizando un disco de música y decide ocultar su identificación personal con el uso de un casco que irá iluminado por leds. Esta forma de mostrarse al público ya es utilizada por algunos artistas de renombre, pero se mantiene inusual y con capacidades muy limitadas. Se desea impactar el mercado con un producto innovador en cuanto a música y a tecnología. Para el control de estos leds, se ha de diseñar y construir un controlador de leds que permita el máximo de capacidades permisibles con la tecnología actual. Para ello, el controlador ha de permitir el dominio de cualquier imagen, video y efecto deseado en cualquier momento, manteniéndose siempre sincronizado a la música. Además, se aspira a que todo este sistema sea inalámbrico, de forma que permita el movimiento libre del artista en un escenario. Adicionalmente se propone que el sistema pueda ser controlado por cable para asegurar la total recepción de los datos. También ha de permitir el control de los leds sin el uso de ningún ordenador personal. Finalmente, se decide que el controlador de leds ha de permitir 3 modos de funcionamiento: uno para conexión inalámbrica a un ordenador personal, otro para conexión por cable a dicho ordenador y otro que permita el uso sin ordenador personal. Se denomina cada uno: modo Wifi, modo Ethernet y modo SD. Este proyecto consiste en toda la parte electrónica requerida para dicho casco. El trabajo se enfoca en obtener máxima estabilidad, flexibilidad, sincronización (a la música), portabilidad y seguridad eléctrica. Además ha de conseguirse para 5 universos mínimo (850 leds). Por otra parte, tras finalizar el estudio de la electrónica, se comienza a analizar formas de fabricación para la futura estructura del casco, especialmente el material donde irán colocados los leds: una lámina termoplástica transparente. Éste ha de tener un acabado superficial similar al vidrio. Para ello se comienza a realizar ensayos de termoconformado al vacío de láminas termoplásticas. El proyecto comienza por estudiar los protocolos de comunicación utilizados en luminotecnia, seleccionando los más adecuados para la resolución de los objetivos. Principalmente se estudia el funcionamiento de UDP, TCP, IP, SPI, Ethernet (IEEE 802.3), WiFi (IEEE 802.11), DMX, sACN y Artnet. Se utiliza Artnet como principal protocolo de comunicación que se enviará a través de UDP por IEEE 802.11 y Ethernet con direccionamientos IP. Una vez se sabe cómo se van a controlar los leds, se procede a estudiar todos los componentes electrónicos necesarios. Aquí se estudian los diferentes leds, microcontroladores, software de visuales, baterías de alimentación, fuentes de alimentación AC/DC, incluso cableado y conectores, para tratar de encontrar la mejor solución a los objetivos. Se utilizan los chips ESP8266 para el modo Wifi y los módulos Teensy 3.2, junto a otros, para los modos Ethernet y SD. Se hace uso de Ableton Live y Resolume Arena para la generación de señales audiovisuales. Para que el sistema se mantenga inalámbrico, se alimenta con una batería LiPo de 4 celdas y 11000mAh junto a un regulador de tensión UBEC capaz de funcionar a 20A (en total el sistema requiere 3 UBEC). Se usan también fuentes de alimentación en carcasa AC/DC para asegurar seguridad eléctrica durante la realización de ensayos. Para el envío de las señales de datos a los leds, se utiliza un cable Cat6 para asegurar la mínima distorsión de la señal. Una vez se tienen todos los componentes seleccionados, se busca la mejor opción de código para programar cada microcontrolador. Sin apenas encontrar casos en la red, se consigue solucionar cada modo de funcionamiento con códigos oportunos. Se utiliza un código realizado por Matthew Tong, técnico de iluminación especializado en electrónica, para el modo Wifi. Para el modo Ethernet, se encuentran algunos códigos provechosos en un foro de PJRC. Finalmente para el modo SD se utiliza un código de la librería OctoWS2811. Se detallan los pasos realizados para la configuración final de cada microcontrolador. Tras esto, se procede a preparar todos los componentes junto a cableados, conectores y configuraciones de software para la realización de ensayos. Una vez preparada toda la electrónica, se pasa a un primer análisis de la fabricación de la estructura del casco (su diseño y fabricación final están fuera del alcance). Se comienza por mencionar algunas reglas básicas del Marketing para el correcto diseño estético. A continuación se explica el funcionamiento del termoconformado por vacío de láminas termoplásticas y se seleccionan los materiales adecuados, seleccionando el acrílico, PETG, policarbonato y Styroglass. Se fabrica un artilugio casero capaz de realizar dicha función. Finalmente se hacen pruebas de funcionamiento de todo el sistema (analizando paso por paso los comportamientos) con un acabado exitoso. El controlador presenta las dimensiones más reducidas halladas en el mercado de controladores junto a un precio extraordinariamente bajo. Además es programable, permitiendo futuras mejoras en el firmware. El sistema tiene un retraso de milisegundos (por el procesamiento de datos) casi indetectable a simple vista que aun así es compensado con la correcta configuración de Ableton Live, dando una sincronización perfecta. Su forma de control desde Resolume permite cualquier mapeado asimétrico y la total flexibilidad a la hora de reproducir videos, imágenes y efectos en directo. Se muestran todos los efectos luminosos a la perfección. El sistema mantiene también seguridad térmica y eléctrica. Aunque el modo Wifi presenta una estabilidad sorprendente, capaz incluso de llegar a más de 20 metros entre emisor y receptor (sin el uso de antena externa en el módulo ESP8266), presenta pequeños errores de recepción de datos cada pocos minutos. Simplemente pierde la recepción de algún paquete (puesto que se utiliza UDP y no se puede verificar la correcta recepción de cada paquete) dando lugar a un color erróneo en algunos leds durante algunos milisegundos. El resto del tiempo funciona correctamente. Se consiguen por tanto casi todos los puntos del alcance de este proyecto. Sin embargo, se ha de mejorar mucho el sistema en términos de seguridad eléctrica antes de montarlo en una estructura final para uso profesional. Esto es debido a que la batería es capaz de liberar altas y peligrosas corrientes. También se ha de mejorar el modo SD, cuyas capacidades son limitadas comparado al resto de modos. En cuanto al artilugio fabricado para termoconformado, su funcionamiento es totalmente correcto. No se presentan entradas indeseadas de aire, creando vacío como se había previsto. Se consiguen acabados superficiales similares al vidrio manteniendo las características del material plástico seleccionado. Una vez terminado este proyecto, el autor procederá a realizar las líneas futuras.

Más información

ID de Registro: 48923
Identificador DC: http://oa.upm.es/48923/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:48923
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 09 Ene 2018 15:30
Ultima Modificación: 09 Ene 2018 15:30
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