Gestión Basada en Microcontrolador de un Tablero de Ajedrez Adaptado para Ciegos

197 Pages·2004·1.13 MB·Spanish

Proyecto Final de Carrera

Gestión Basada en Microcontrolador de un
Tablero de Ajedrez Adaptado para Ciegos

MEMORIA

AUTOR: Carlos Vidal García.
DIRECTOR: José Luís Ramírez Falo.

Septiembre / 2005.
Gestión Basada en Microcontrolador de un Tablero de Ajedrez Adaptado para Ciegos Índice

Índice

1. Memoria Descriptiva. 4

5
1.1. Objeto del Proyecto.

5
1.2. Antecedentes.

6
1.3. Posibles Soluciones y Solución Adoptada.

6
1.3.1. Elección del Microcontrolador.

7
1.3.2. Reproducción de Mensajes de Voz.

8
1.3.3. Dispositivo Visualizador

8
1.3.4. Detección de las Piezas.

10
1.3.5. Comunicación con PC.

11
1.3.6. Alimentación.

11
1.4. Descripción General del Equipo

12
1.4.1. Diagrama de Bloques

13
1.4.2. Características Básicas.

13
1.4.3. Aspecto General.

14
1.5. Descripción General de la Solución Adoptada.

14
1.5.1. Microcontrolador PIC16F877 de Microchip.

15
1.5.1.1. Control de Tiempos con el Microcontrolador.

16
1.5.1.2. Conexión de los Botones al Puerto B

17
1.5.1.3. Etapa de Comunicaciones: Módulo USART

18
1.5.2. Tablero Adaptado.

20
1.5.3. Dispositivos ISD2560 (Grabación/Reproducción de
Audio).

24
1.5.4. Módulo LCD de Caracteres de 16x1.

1
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1.5.5. Circuito MAX232 (Comunicación Serie). 25

1.5.6. Alimentación. 26

1.5.6.1. Circuito Detector de Batería Baja. 26

1.6. Resultados. 28

1.7. Conclusiones. 29

2. Memoria de Cálculo. 31

2.1. Inicialización. 32

2.2. Programa Principal. 34

2.3. Rutina de Atención a la Interrupción TMR0. 39

2.4. Reproducción de Mensajes de Audio. 42

2.5. Control del Tablero Adaptado. 48

2.6. Rutinas Auxiliares. 58

3. Planos. 62

L1
3.1. Aspecto del Prototipo

L2
3.2. Conexionado Sensores.

L3
3.3. Esquema Eléctrico Placa 1.

L4
3.4. Esquema Eléctrico Placa 2.

63
3.5. Aspecto de las Máscaras de C.I.

63
3.5.1. Situación de Componentes Placa 1.

63
3.5.2. Máscara de Cara Componentes Placa 1.

64
3.5.3. Máscara de Cara Soldadura Placa 1.

64
3.5.4. Situación de Componentes Placa 2.

65
3.5.5. Máscara de Cara Componentes Placa 2.

65
3.5.6. Máscara de Cara Soldadura Placa 2.

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4. Presupuesto. 66

4.1. Mediciones. 67

4.2. Cuadro de Precios. 74

4.3. Aplicación de Precios. 81

4.4. Resumen del Presupuesto del Prototipo. 88

4.5. Presupuesto de Puesta en Fabricación. 89

5. Bibliografía. 95

96
5.1. Libros Consultados.

96
5.2. Páginas Web Consultadas.

6. Anexos.
97

6.1. Manual de Usuario.
98

6.2. Código Fuente para PIC16F877.
104

6.3. Código Fuente del Programa Terminal.
190

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1. MEMORIA DESCRIPTIVA

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1. Memoria Descriptiva.

1.1. Objeto del Proyecto.

El objeto del presente proyecto es diseñar y montar un prototipo de tablero y
reloj digital de ajedrez para ciegos. Éste se basará en un sistema digital, controlado por
un microcontrolador de ocho bits, que será capaz de gestionar el tiempo en los relojes,
así como de controlar las jugadas realizadas en un tablero adaptado. Este prototipo
realizará las funciones básicas de un reloj de ajedrez convencional como son la
selección de los diferentes modos de funcionamiento y la presentación por pantalla del
tiempo restante. Asímismo también podrá controlar la legalidad de las jugadas
realizadas en el tablero de juego. A parte de estas funciones, también tendrá que
reproducir el tiempo restante para cada jugador y la última jugada realizada en forma de
voz por dos auriculares. Para el caso en que se encuentren dos jugadores invidentes la
reproducción de mensajes deberá de poder ser simultánea y de distinto contenido por
cada uno de los dos auriculares.

1.2. Antecedentes.

En el ajedrez de competición es esencial el uso de un reloj especial, el llamado
reloj de ajedrez. Este reloj sirve para controlar el tiempo de reflexión de los jugadores,
limitándolo para impedir una excesiva duración de la partida. Consta de una doble
esfera que indica el tiempo de juego que le queda a cada jugador. Todas las jugadas
deben realizarse en un periodo de tiempo determinado que no puede sobrepasarse
sopena de perder la partida.

La competición ajedrecística supone un serio handicap para el jugador invidente
que, además de no poder ver las jugadas realizadas sobre el tablero tampoco puede
hacer lo propio con el reloj que controla los tiempos de reflexión, para lo cual necesita
de la ayuda de instrumentos adaptados a sus necesidades.

Existen ya en las competiciones relojes adaptados que comunican el tiempo
restante de forma oral. Sin embargo, este avance aún no se ha hecho extensivo al tablero
físico para facilitar también la comunicación de las jugadas realizadas y, de paso,
controlar la legalidad de las mismas. Normalmente las jugadas deben comunicarse de
forma oral, siendo el jugador invidente quien las reproduce en su tablero. Queda claro,
pues, el carácter innovador de esta propuesta.

En enero del 2002 se presentó en la misma Escola Técnica Superior
d’Enginyeria (ETSE) el proyecto Reloj de ajedrez para ciegos, cuyo objetivo era
diseñar y construir un prototipo de reloj adaptado para invidentes, superior en
prestaciones a los ya existentes y con un menor coste económico. El presente proyecto
supone un paso más añadiendo el prototipo del tablero adaptado, el control de las
jugadas realizadas, el almacenamiento en memoria de las mismas y la mejora de algunas
de las prestaciones del reloj de ajedrez ya mencionado. Del mismo modo, el diseño se
ha realizado procurando reducir al mínimo los costes económicos.

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1.3. Posibles Soluciones y Solución Adoptada.

La solución adoptada está basada en un sistema digital con microcontrolador.
Los mensajes de audio se almacenan en dos dispositivos ISD. El microcontrolador
gestiona la reproducción de estos mensajes a petición del usuario, así como el control de
los tiempos de juego que se visualizarán mediante un display. A la vez también
controlará las jugadas realizadas en un tablero de juego, dotado expresamente de
sensores ópticos para la detección de las piezas.

1.3.1. Elección del Microcontrolador.

De entre el extenso listado de fabricantes de microcontroladores podemos
destacar: Intel, Motorola, Toshiba, Atmel y Microchip. Existen, por supuesto, otros
fabricantes pero estos son los más utilizados.

La elección del microcontrolador viene fijada por una serie de condicionantes.
De entrada necesitamos un bus de datos de 8 bits por sus prestaciones en cuanto a
velocidad de ejecución y tamaño de datos, suficientes para nuestro proyecto. Se trata,
además, de un bus extensamente utilizado, por lo que se garantiza su compatibilidad con
otros periféricos y una gran variedad de fabricantes de microcontroladores. Un bus más
grande implicaría un aumento de precio innecesario, mientras que un bus más pequeño
nos reduce los puertos de E/S, las fuentes de interrupción y capacidad de memoria.

También necesitamos garantizar una elevada velocidad de ejecución, necesaria
para el correcto funcionamiento del reloj, las encuestas al tablero y la gestión de
mensajes orales. Por otro lado, la manipulación de diversos periféricos hace necesario
disponer de un gran número de puertos de E/S.

Por todo ello, de las marcas anteriormente mencionadas, nos decantamos por
Microchip. Los llamados microcontroladores PIC ofrecen un gran número de ventajas
tecnológicas, son fáciles de utilizar y disponen de una gran documentación técnica.
También se ha tenido en cuenta la gran disponibilidad en el mercado de estos
dispositivos, así como la posibilidad de utilización en la escuela de un programador para
grabar el dispositivo y del software necesario para la generación y depuración del
código del programa.

Las características generales y comunes de las familias µC de 8 bits de
Microchip son:

• CPU con núcleo RISC.
• Arquitectura Harvard.
• 35 instrucciones.
• Ejecución de instrucciones en un ciclo (salvo las de salto de programa que son
dos ciclos).
• Frecuencias máximas de trabajo de hasta 20 MHz (en función de la familia
elegida).
• 14 bits de tamaño de instrucción.
• 8 bits de tamaño de datos.
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• 15 registros de función especial.
• Stack de 8 niveles de profundidad.
• Modos de direccionamiento directo, indirecto y relativo.
• Address Pipeline.
• Varias fuentes de interrupción. (en función de la familia escogida).
• 1 millón de ciclos de borrado/escritura en EEPROM.
• Retención de datos en EEPROM >40 años.
• Amplia disponibilidad de pins de I/O (nº en función de la familia).
• Power On Reset (POR).
• Power por temporización (PWRT).
• Temporizador de comienzo por Oscilador (OST).
• Temporizador de “perro guardián” o Watchdog (WDT).
• Protección de código.
• Modo SLEEP para ahorro de energía.
• Programación del sistema por puerto serie de dos pines.

De las características anteriores se deduce que el sistema gozará de una alta
velocidad de ejecución. La arquitectura RISC (juego de instrucciones reducido) nos
garantiza una rápida ejecución de las instrucciones.

Como necesitamos un elevado número de puertas de E/S escogemos finalmente
el PIC16F877. A pesar de que el modelo PIC16F874 es un poco más económico, se
diferencia por tener una menor memoria, tanto de código como de datos: 4k y 192
bytes respectivamente, frente a los 8k y 368 bytes de nuestra elección. Como no
podemos asegurar, a priori, el tamaño que ocupará el código nos quedamos con el
16F877, sin perjuicio de poder cambiarlo en una posterior puesta en fabricación, si
realmente fuera posible.

1.3.2 Reproducción de Mensajes de Voz.

En el presente proyecto se ha optado por utilizar dos dispositivos de grabación y
reproducción de voz ISD (Information Storage Device). Estos dispositivos integran toda
la electrónica necesaria para la correcta reproducción de los mensajes de audio en un
solo chip, siendo necesarios solamente algunos componentes pasivos (resistencias y
condensadores) para su correcto funcionamiento.

La alternativa al uso de estos circuitos integrados (C.I.) pasa por implementar
una circuitería basada en una memoria EEPROM, que almacena los mensajes de forma
digital. Son necesarios un amplio número de componentes auxiliares para la
reproducción: conversores D/A, filtros, amplificadores, reloj, FPGA, etc.

En el proyecto anterior, Reloj de Ajedrez para Ciegos, se optó por esta última
opción. El motivo básico es que nuestro sistema debe ser capaz de reproducir dos
mensajes de voz de forma simultánea, sin que estos tengan que ser iguales. Las
características de las ISD no permiten realizar esto directamente, siendo necesario el uso
de dos de estos dispositivos. Esto duplica el coste, de manera que la elección se basó en
criterios económicos. Sin embargo, con el paso de los años, el precio de las ISD se ha
reducido. Actualmente, una implementación con memoria EEPROM y demás
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componentes viene a costar unos 35,50 €, mientras que el coste de una sola ISD es de
unos 18 €. Si usamos dos de estos dispositivos nos situamos en unos 36 €,
prácticamente igual, por lo que el criterio de selección pasa ser cualitativo.

Los circuitos ISD presentan un fácil uso, grabado y reproducción en un mismo
C.I., alta calidad de reproducción, totalmente direccionable para grabar múltiples
mensajes y posibilidad de concatenación de mensajes con 100 ms de precisión. Además,
su capacidad de integración se transforma en un considerable ahorro de espacio en
placa.

1.3.3. Dispositivo Visualizador

Aunque las características fundamentales de nuestro prototipo están orientadas al
uso por parte de usuarios invidentes, también se prevé su utilización por usuarios sin
discapacidad visual. Para mostrar los tiempos de juego se utilizará un visualizador
(display) LCD de caracteres.

Existen otras opciones a tener en cuenta para esta elección, como son:

• Display tipo LED de siete segmentos.
• Display LCD de siete segmentos.

Los display basados en diodos emisores de luz (LED) presentan un consumo
mayor que el de los display de cristal líquido (LCD), del orden de 100 veces. Para una
posible alimentación mediante pilas sus características de consumo no suponen, pues,
una buena elección.

Los display LCD de siete segmentos se ajustán mejor a nuestras necesidades de
consumo. Sin embargo, es difícil encontrar en el mercado un modelo que presente 16
dígitos a pequeña escala y a un precio razonable. Su uso sería más adecuado para una
puesta en fabricación a gran escala, y no para la construcción de un prototipo. Además,
para el correcto funcionamiento de estos visualizadores se necesita cierta lógica
adicional (decodificadores, puertas de paso, etc.).

Las necesidades económicas y de consumo, así como el ahorro de espacio en
placa hacen que la elección más adecuada para nuestro prototipo sea un display LCD de
caracteres.

1.3.4. Detección de las Piezas.

Los tableros de ajedrez adaptados para invidentes tienen algunas características
que los diferencian de los tableros normales. Al no poder ver el tablero, los jugadores
necesitan palparlo para localizar las piezas. En un tablero normal esto no sería posible
por dos motivos:

• Al no estar las piezas sujetas al tablero, éstas podrían ser derribadas o
movidas involuntariamente al intentar tocarlas.
• No habría forma de distinguir el color de las piezas ni el de las casillas.
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Esto último se soluciona con un ligero relieve de las casillas negras sobre las
blancas, que lo hacen inconfundible al tacto. Asimismo, las piezas negras están dotadas
de una pequeña cabeza de alfiler metálico en su parte superior para distinguirlas de las
blancas.

La sujeción de las piezas viene solventada por una pequeña espiga que se situa
en la peana (ver figura 1). Si se práctica un agujero en el centro de cada casilla, esta
espiga puede introducirse, de manera que la pieza queda fijada al tablero y no puede
moverse o ser derribada, si no es expresamente.

PIEZA
TABLERO
ESPIGA

Figura 1. Sujeción de las piezas al tablero.

Esta última característica nos permitirá realizar el sensado del tablero. Para
poder determinar la situación de las piezas será necesario situar un sensor en cada
casilla del tablero. Un tablero de ajedrez contiene 64 casillas, de modo que hay que
buscar un sensor económico, fiable y de dimensiones reducidas. La solución adoptada
en el presente proyecto pasa por utilizar un sensor óptico (ver figura 2), modelo
OPB620. Estos pequeños sensores están dotados de un diodo emisor de luz y un
fototransistor NPN, situados en oposición. Cuando alimentamos el diodo, este realiza
una emisión que capta el transistor, situándose en zona de conducción. El transistor no
podrá captar la emisión si esta no existe o hay un obstáculo en medio que lo impida.

Figura 2. Sensores ópticos.
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