UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA...
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA IMPLEMENTACIÓN DE UNA CASA DOMÓTICA RESIDENCIAL UTILIZANDO SENSORES Y ACTUADORES TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA MECATRÓNICA ROCÍO ALEJANDRA GUAPAZ BONE DIRECTOR: ING. JUAN CARLOS RIVERA Quito, Junio, 2013
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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
IMPLEMENTACIÓN DE UNA CASA DOMÓTICA RESIDENCIAL
UTILIZANDO SENSORES Y ACTUADORES
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERA MECATRÓNICA
ROCÍO ALEJANDRA GUAPAZ BONE
DIRECTOR: ING. JUAN CARLOS RIVERA
Quito, Junio, 2013
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2012
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo ROCíO ALEJANDRA GUAPAZ BONE, declaro que el trabajo aquí escrito
es de mi autoría; que no ha sido presentado para ningún grado o calificación
profesional; y que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen
en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad
Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_____________________________________
ROCíO ALEJANDRA GUAPAZ BONE
C.I 1718317884
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título Implementación de una
casa domótica residencial utilizando sensores y actuadores, que para
aspirar al título de Ingeniera Mecatrónica fue desarrollado por Rocío Alejandra
Guapaz Bone, bajo la dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la
Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de
Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
JUAN CARLOS RIVERA CI.0501373823
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
A Dios. Por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado la
vida para lograr mis objetivos.
A mis padres por su apoyo incondicional, por sus consejos y su ejemplo de
perseverancia y constancia para seguir adelante con mis estudios.
A mi tío Marlon Bone por ayudarme con los recursos para poder estudiar en el
transcurso de toda mi vida,a mis hermanos por sus consejos de seguir
adelante.
A Felipe por siempre estar a mi lado, brindándome todo su apoyo,
conocimiento y paciencia durante todos esos años y quien ha sido pieza clave
en la culminación de mis estudios.
“La dicha de la vida consiste en tener siempre algo que hacer, alguien a
quien amar y alguna cosa que esperar”. Thomas Chalmers
AGRADECIMIENTO
El presente trabajo de tesis primeramente me gustaría agradecerte a ti Dios por
bendecirme para llegar hasta donde he llegado, porque hiciste realidad este
sueño anhelado.
A mi director de tesis, Ing. Juan Carlos Rivera por su esfuerzo y dedicación,
quien con sus conocimientos, su experiencia, su paciencia y su motivación ha
logrado en mí que pueda terminar mis estudios con éxito.
A mis padres y a mi tío por su apoyo económico y moral para lograr este fin.
i
INDICE
DESCRIPCIÓN PÁGINA
RESUMEN ......................................................................................................... ix
ABSTRACT ........................................................................................................ x
1.-INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 1
2.- PARTE TEÓRICA ......................................................................................... 6
2.1. Marco Teórico ...................................................................................... 7
2.2.1. Electrónica ........................................................................................ 7
2.2.1.1 HADWARE ....................................................................................... 9
2.2.1.1.1 MICROCONTROLADOR ............................................................. 9
2.1.1.1.1 Componentes de un Microcontrolador .................................... 10
2.2.1.1.2 Teclado Matricial ...................................................................... 11
2.2.1.1.3 Temporizadores (Timers) .......................................................... 13
2.2.1.1.4 Cerradura Eléctrica ................................................................... 15
2.2.1.1.4.1 Tipos de cerraduras eléctricas ............................................. 15
2.2.1.1.5 Ventiladores ............................................................................... 17
2.2.1.1.5.1 Circulación del aire ................................................................ 18
2.2.1.1.5.2 Teorema de Bernouilli ............................................................ 18
2.2.1.1.5.3 Presiones ................................................................................ 19
2.2.1.1.6 Curva Característica .................................................................. 20
2.2.1.1.6.1 Tipo de Curva Característica ................................................. 21
2.2.1.1.7 Clasificación de los ventiladores ............................................... 21
2.2.1.1.8 Calefactor ................................................................................... 23
2.2.1.2 Sensorica ......................................................................................... 25
2.2.1.2.1 Sensor de Temperatura ............................................................ 25
2.2.1.2.2 Modelado matemático de sistemas térmicos.......................... 27
2.2.1.3 Comunicaciones ............................................................................. 29
2.2.1.3.1 Radiofrecuencia ......................................................................... 29
2.2.1.3.1.1 Antenas: .................................................................................. 30
2.2.1.3.1 Tecnología TTL .......................................................................... 31
2.2.2. Mecánica ............................................................................................ 33
ii
2.2.2.1 Motor: ............................................................................................ 33
2.2.2.1.1 Motor de corriente continua ..................................................... 34
2.2.2.1.2 Motores en robótica .................................................................. 42
2.2.3. Informática ........................................................................................ 42
2.2. Marco de referencia ............................................................................. 44
2.3. Marco conceptual .............................................................................. 45
2.3.1. Domótica ......................................................................................... 45
3.- METODOLOGÍA .......................................................................................... 50
3.1. Método .............................................................................................. 51
3.2. Técnica ................................................................................................. 51
3.3. Metodología específica ..................................................................... 51
3.3.1. Sistema Electrónico / Diseño Hardware ....................................... 53
3.3.1.1. Actuadores ................................................................................... 61
3.3.1.2. Comunicaciones .......................................................................... 66
3.3.1.3. Alimentación ................................................................................ 67
3.3.1.4. Esquema general de Hardware .................................................. 68
3.3.2. Sistema Informático / Diseño de Software ..................................... 71
3.3.2.1. LabVIEW ....................................................................................... 71
3.3.2.2. BASCOM AVR .............................................................................. 74
3.3.3. Sistema Mecánico / Diseño Mecánico............................................. 88
4.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN .................................................................... 91
4.1. Análisis de importancia e impactos ................................................... 92
4.1. Análisis Financiero .............................................................................. 93
4.1.1. Que financiar. ................................................................................. 93
4.1.2. Como financiar. .............................................................................. 94
4.1.3. Rentabilidad. ................................................................................... 94
4.2. Resultados Teórico-Prácticos ............................................................ 97
5.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................ 102
5.1 CONCLUSIONES ................................................................................. 103
5.2 RECOMENDACIONES......................................................................... 104
6.- BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................... 105
7.- ANEXOS.................................................................................................... 108
iii
INDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Cuadro conceptual de las teorías a usar para el desarrollo del
proyecto. ............................................................................................................ 8
Figura 2.2 Esquema básico de un microcomputador .................................... 9
Figura 2.3 Diagrama de bloques de un microcontrolador ........................... 10
Figura 2.4 Teclado matricial 4x4 .................................................................... 12
Figura 2.5 Diagrama de bloques de un timer................................................ 13
Figura 2.6 Representación de temporizadores a la activación ................... 13
Figura 2.7 Representación de temporizadores a la desactivación ............. 14
Figura 2.8 Representación de los temporizadores a la activación-
desactivación .................................................................................................. 14
Figura 2.9 Formas de onda para los distintos temporizadores .................. 15
Figura 2.10 Cerradura Magnética .................................................................. 16
Figura 2.11 Cerradura de mortaja eléctrica .................................................. 16
Figura 2.12 Cerradura motorizada ................................................................. 17
Figura 2.13 Caudal, Velocidad y Presión ...................................................... 20
Figura 2.14 Curva Característica de un ventilador ....................................... 21
Figura 2.15 Sensor de temperatura básico (+2 ºC a 150ºC) ......................... 26
Figura 2.16 Sensor de temperatura con rango completo ............................ 27
Figura 2.17 Sensor de temperatura con alimentación simple y rango
completo (-55ºC a 150ºC) ................................................................................ 27
Figura2.18 Esquema de modelamiento matemático del sistema térmico 28
Figura 2.19 Modelo de un antena .................................................................. 31
Figura 2.20 Puerta NAND con tecnología TTL .............................................. 32
Figura2. 21. Diagrama de pines de serial a usb ........................................... 33
Figura2.22 Motor de corriente continua ........................................................ 34
Figura 2.23. Esquema de Arquitectura de Sistema Domótica Centralizada
.......................................................................................................................... 48
Figura 2.24.: Esquema de capacidades de un Sistema domótico. ............. 49
Figura 3.1.: Diseño de la Metodología Mecatrónica ..................................... 52
Figura 3.2.: Microcontrolador ATMEGA164P y Logotipo Atmel. ................ 53
iv
Figura 3.4.: Esquema básico de un puente H. .............................................. 61
Figura 3.5.: Motor eléctrico DC de plumas de automóvil usados para
apertura y cierre de ventana y persiana. ...................................................... 65
Figura 3.6 Fuente de alimentación ................................................................ 68
Figura 3.7.: Componentes de Hardware del Sistema ................................... 69
Figura 3.8.: Diseño circuital de la tarjeta electrónica del Sistema .............. 70
Figura 3.9.: Logotipo del software LabVIEW ...... ¡Error! Marcador no definido.
Figura 3.10.: A la izquierda se presenta el Panel Frontal y a la derecha el
Diagrama de bloques del software LabVIEW. .............................................. 72
Figura 3.11.: Esquema de bloques correspondiente a la lectura serial
programada en el software LabVIEW. ........................................................... 73
Figura 3.12.: Logotipo del software BASCOMAVR. ..................................... 74
Figura 3.13.: Diagrama de flujo del software implementado ....................... 86
Figura 3.14.: Mecanismo de apertura y cierre de ventana. ......................... 89
Figura 3.15.: Mecanismo de apertura y cierre de persiana ......................... 90
Figura 4.1.: Calculo del VAN y TIR ............................................................... 96
Figura 4.2 Activación de unos de los actuadores ....................................... 97
Figura 4.3 Tarjeta de Adquisición de Datos .................................................. 97
Figura 4.4 Activación de la variable luz por medio de la PC ....................... 98
Figura 4.5 Panel de control de todos los actuadores .................................. 99
Figura 4.6.: Diagrama de flujo del proceso del Sistema desarrollado ..... 100
v
INDICE DE TABLAS
Tabla 1.1.: Tabla de factibilidad Técnica ......................................................... 5
Tabla 2.1: Diferentes clases de lenguaje de programación ........................ 43
Tabla 3.1 Criterios ponderados Microcontroladores ................................... 54
Tabla 3.2.: Tabla de elementos de tarjeta de Adquisición de Datos ........... 58
Tabla 3.3.: Tabla de características del controlador principal .................... 60
Tabla3.4 Tabla de Criterios ponderados de Motores ................................... 63
Tabla 4.1.: Tabla de impactos ....................................................................... 93
Tabla 4.3.: Tabla de Financiamiento ............................................................. 94
Tabla 4.4.: Tabla de Desembolsos ................................................................. 95
vi
INDICE DE SIMBOLOS
VE ………………………………………. Variables eléctricas
VF ……………………………………… Variables físicas
TADS…………………………………… Tarjeta de adquisición de datos
RMP……………………………………. Revoluciones por minutos
HP………………………………………. Horse power(caballos de fuerza)
TTL…………………………………….. Transistor transistor logic
ID………………………………………. Dispositivo a usar
I/O……………………………………… Puertos de entrada y salida
Hz........................................................Velocidad de trabajo del
microcontrolador y trasmisión serial
EN…………………………………….. Habilitación de interrupciones
INT……………………………………. Habilitación del microcontrolador
CNTS………………………………… Constantes
vii
INDICE DE ECUACIONES
Teorema de Bernoulli…………………………………………… [2.1] ................ 19
Ecuación de Presión……………………………………………..[2.2] ................. 19
Ecuación de Caudal……………………………………………… [2.3] ............... 20
Ecuación de Presión…………………………………………… [2.4] .................. 20
Ecuación de estado del sistema termico……………………… [2.5] ............. 28
Ecuación de Respuesta al sistema termco……………………[2.6] .............. 29
Ecuación de función de transferencia del sistema térmico….[2.7] ............ 29
Ecuación de Antena ……………………………………………..[2.8] ................. 30
Ecuacion de rendimiento de un motor CC ……………………..[2.9] ............. 35
Ecuación de pérdidas de cobre ………………………………..[2.10] .............. 36
Ecuación de Hp…………………………………………………. [2.11] ................ 36
Ecuación general de motores DC…………………………….. [2.12] .............. 37
Ecuación de Fuerza Electromotriz……………………………. [2.13] .............. 38
Ecuación del sistema eléctrico de un motor………………….[2.14] ............. 39
Ecuación del sistema mecánico de un motor……………….. [2.15] ............. 39
Ecuación 16 Ecuación de función de transferencia de un motor …[2.16] 40
viii
INDICE DE ANEXOS
ANEXO I: DISTRIBUCIÓN DE PINES ATMEGA 164P .................................. 109
ANEXO II: TIMERS ........................................................................................ 110
ANEXO III: PROGRAMA LABVIEW .............................................................. 111
ANEXO IV: TABLAS DE ESTADO ................................................................ 113
ANEXO V: MANUAL SISTEMA ..................................................................... 116
ANEXO VI DIAGRAMA DEL SENSOR DE TEMPERATURA........................ 118
ANEXO VII: CONVERSOR DE SERIAL A USB ............................................ 119
ANEXO VIII MOTOR ELÉCTRICO DC DE PLUMAS DE AUTO .................... 120
ANEXO IX: FOTOS SISTEMA ....................................................................... 121
ix
RESUMEN
El presente proyecto de titulación consiste en la construcción de un sistema
domótico el cual se encuentra dentro del campo de la Mecatrónica y hace uso
de las tres ciencias básicas que el concepto de este término engloba, siendo
estas la Electrónica, la Mecánica y la Informática. El sistema proporciona al
usuario una integración de procesos de automatización enfocados a la
domótica y confort dentro de su entorno de aplicación, regulando el uso de
recursos y permitiendo una interfaz de control sencilla. Básicamente el proyecto
busca una integración de procesos de controles enfocados a automatizar
distintos sectores de un dormitorio en el cual se instalará el sistema, haciendo
uso del Software de control LabVIEW y herramientas desarrolladas en base a
la electrónica digital y sin hacer uso de controladores especializados para
procesos Domóticos. El desarrollo del proyecto toma como parámetros el uso
de procesos que provienen de la implementación de hardware y del control
industrial, integrando los subsistemas generados durante su desarrollo y
proporcionando al usuario una interfaz sencilla de manejo. El Proceso de
funcionamiento del Sistema tiene como base la adquisición de datos de
variables como la temperatura para la climatización y la automatización de los
elementos mencionados a través de la implementación de algoritmos que
permiten el envío de órdenes desde el controlador hacia los actuadores vía
Radio Frecuencia RF. De manera específica el sistema al recibir una señal por
parte de un sensor o una orden por parte del usuario, la envía a través de la
tarjeta de adquisición de datos hacia el software encargado del control
instalado en una PC, este trabaja matemáticamente la señal de entrada y
reacciona ante el evento accionando los actuadores respectivos dentro del
entorno controlado.
x
ABSTRACT
This project involves the construction qualifications of a home automation
system which is within the field of Mechatronics and makes use of the three
basic sciences that the concept of this term covers, making them the
Electronics, Mechanics and Computing. The system provides the user with an
automated process integration focused on home automation and comfort within
your application environment, regulating the use of resources and allowing
simple control interface. Basically the project seeks integration process controls
aimed at automating various sectors of a bedroom in which to install the
system, using the LabVIEW control software and tools developed based on
digital electronics and drivers without using specialized Home System
processes. Project development takes as parameters using processes coming
from the hardware implementation and control of industrial subsystems
integrating generated during development and providing the user with a simple
interface management. The operation of the System Process is based on the
data acquisition and temperature variables for the HVAC and automation of the
items mentioned by the implementation of algorithms for sending commands
from the controller to the actuators via Radio Frequency RF.Specifically the
system receiving a signal from a sensor or a command from the user, sends
through the data acquisition card to the charge control software installed on a
PC, this signal mathematically works input and reacts to the event triggering the
respective actuators within the controlled environment.
1.-INTRODUCCIÓN
2
Hablar de Domótica es hablar del diseño, construcción e implementación de
sistemas residenciales autómatas capaces de realizar tareas comunes del ser
humano como encender luces, abrir ventanas, puertas, etc.
La domótica es una ciencia que proviene de la integración de tres ramas
importantes como son la Electrónica, la Mecánica y la Informática, haciendo
uso de herramientas de hardware y software que permitan llevar a cabo el
proceso para el cual se implementan.
En el mercado el término Domótica es poco difundido debido a la poca
demanda existente en el pasado, actualmente esta ciencia se encuentra en
pleno surgimiento siendo aplicada en diseños de edificios inteligentes entre
otras aplicaciones. El proyecto a desarrollar da a conocer de una mejor manera
las aplicaciones y utilidad de la domótica.
La automatización y el control datan a épocas antiguas en donde la revolución
industrial llevó al uso de máquinas que remplacen los procesos del ser
humano, actualmente el sentido del uso de la tecnología ha cambiado en
cuanto a no remplazar los procesos humanos sino a complementarlos para
efectivizarlos y proporcionar valores agregados a la vida cotidiana como es el
ahorro energético.
La automatización de las tareas del hogar es un tema reciente y las tecnologías
actuales juegan un papel importante para poder proporcionar comodidad,
ahorro de tiempo y dinero a los usuarios que estén interesados en el tema.
El avance tecnológico y el incremento de la demanda de este tipo de sistemas
se dirige entonces a desarrollar nuevos sistemas que no solo automaticen un
edificio o vivienda, sino que tengan la posibilidad de controlar estos entornos de
manera remota haciendo uso de herramientas que caen dentro de las
competencias de un Ingeniero Mecatrónico.
3
La hipótesis en la que se basa el desarrollo del presente proyecto es el Diseño,
construcción e implementación de un Sistema domótico capaz de integrar
procesos electrónicos, eléctricos y mecánicos enfocados a la automatización
de un domicilio.
Con base en lo anterior se plantea el objetivo general:
Diseñar e implementar un sistema residencial domótico integrado.
Para cumplir con este objetivo general se plantean los siguientes objetivos
específicos:
Adecuar sensores y actuadores en la instalación a implementar para el
adecuado control.
Implementar tareas de control haciendo uso de microcontroladores
Atmel y LabVIEW.
Desarrollar el sistema de control de una habitación donde constará una
puerta, una ventana, una persiana, las luces de la habitación y la
climatización de la misma.
Diseñar sistemas mecánicos experimentales y manuales sencillos para
la ejecución de los procesos.
Utilizar tecnologías disponibles como internet para efectivizar y controlar
remotamente el sistema.
El alcance que tendrá el proyecto, estará dado de acuerdo a los siguientes
parámetros:
Tiempo real.
Detección de variación de temperatura.
Comunicación inalámbrica para actuadores.
Capacidad de conexión múltiple.
Capacidad para modificaciones de software.
4
Para llevar a cabo el proyecto se ha buscado herramientas que se consiguen
en el mercado local y metodologías adquiridas durante los estudios. En la
Tabla 1.1 se muestra los recursos a utilizarse para el proyecto.
5
Tabla 1.1.: Tabla de factibilidad Técnica
RECURSO
TECNOLÓGICO A
USAR
APORTE DENTRO
DEL PROYECTO
VALOR
AGREGADO
CARÁCTER
DIFERENCIADOR
PRODUCTOS DISPONIBLES EN EL
MERCADO ACTUAL (NO SE USARÁN
DENTRO DEL DESARROLLO)
Software de Control y
Automatización LabVIEW
Proporcionará control
al Sistema
Dará estabilidad y
robustez al sistema
Nivel de desarrollo Industrial a
diferencia de los distintos
programas que se pueden
usar para este tipo de
proyectos
Visual Basic, Java, C
Hardware
(Microcontroladores
Atmel, Motores DC,
Elementos electrónicos
originales)
Permitirá la correcta
operación del sistema
usando tecnología
existente en el
mercado nacional
Bajo costo de
construcción ya que
será ensamblado al
100% por la
persona que
desarrolla el
proyecto
Al ser desarrollado por la
persona que realiza el
proyecto, este se adaptará a
las necesidades específicas
del mismo y se evitará el
desperdicio de recursos que
se provocaría al adquirir
hardware ya implementado
Tarjetas de adquisición National Instruments,
módulos Arduino, Tarjetas de adquisición
genéricas, Elementos electrónicos genéricos
Comunicaciones (módulo
de radio frecuencia,
módulos RS232
originales, USB)
Permitirán la interface
entre el sistema y el
software de control
haciendo uso de
tecnología avanzada
y disponible
Fiabilidad en la
comunicación de
datos
Las marcas y calidad del
equipo a usar dará
confiabilidad al sistema con
respecto a marcas genéricas
que se comercializan en el
país
Cables conversores Serial a USB, módulos
de comunicaciones National Instruments
Fuente: Alejandra Guapaz Bone
2.- PARTE TEÓRICA
7
2.1. Marco Teórico
Las teorías usadas para el desarrollo del proyecto así como su intervención en
los diferentes procesos que conforman el sistema se muestran en la figura 2.1,
posterior a él se hace referencia teórica para cada puntualización.
2.2.1. Electrónica
La Electrónica dentro del desarrollo del presente proyecto de titulación
constituye una herramienta básica para la creación del hardware del sistema, la
selección de elementos y dispositivos que servirán como generadores de
información dentro del mismo.
El uso y aplicación de sensores y las comunicaciones proveerán al sistema la
realimentación continua entre entrada y salida de datos, necesaria para la
operatividad del sistema integral.
Con el uso de la electrónica y sus ramas se dará al sistema la capacidad de
sensar, adquirir e interpretar las diferentes señales eléctricas tomadas en el
entorno de monitoreo, ya sean estas provenientes de los sensores instalados o
de las órdenes dadas por el operador o usuario.
El aporte de esta teoría al sistema es la generación de señales eléctricas, en el
proyecto la parte electrónica esta constituido por las siguientes partes:
Hardware
Comunicaciones
Sensorica
8
Figura 2.1. Cuadro conceptual de las teorías a usar para el desarrollo del proyecto. Fuente: Alejandra Guapaz Bone
DOMÓTICA
ELECTRÓNICA
HARDWARE
COMUNICACIONES
SENSÓRICA
MECÁNICA
ACCIONAMIENTO MECÁNICO
ESTRUCTURAS
SOPORTES
INFORMÁTICA
SOFTWARE
INTERFAZ GRÁFICA
POCESAMIENTO
9
2.2.1.1 HADWARE
2.2.1.1.1 MICROCONTROLADOR
Un microcontrolador es un dispositivo electrónico capaz de llevar a cabo
procesos lógicos. Estos procesos o acciones son programados en lenguaje
ensamblador por el usuario, y son introducidos en este a través de un
programador.(Aguayo, 2004).
Un microcontrolador es básicamente un microcomputador y se compone de
tres bloques fundamentales que son el CPU (central processing unit) la
memoria ,y la entrada y salida estos bloques están interconectados entre si
mediante líneas eléctricas llamadas buses los cuales pueden ser de
direcciones de datos o de control como se muestra en figura 2.2.
Figura 2.2 Esquema básico de un microcomputador Fuente: (Valdés, 2007)
El CPU actúa bajo el control del programa almacenado en la memoria y este
las interpreta y hace que se ejecuten, en un microcomputador el cpu no es otra
cosa que el microprocesador el circuito integrado capaz de realizar las
funciones antes mencionadas. Un microcontrolador es un microcomputador
realizado en un circuito integrado.
10
Los microcontroladores están concebidos fundamentalmente para ser utilizados
en aplicaciones puntuales donde el microcontrolador debe realizar un pequeño
número de tareas al menor costo posible. El microcontrolador ejecuta un
programa almacenado en su memoria el cual trabaja con datos almacenados
temporalmente e interactúa con el exterior a través de líneas de entrada y
salida que se disponen previamente.
Existen varias características que son deseables en un microcontrolador:
Recursos de entrada y salida
Espacio optimizado
Microcontrolador idóneo
Seguridad en el funcionamiento
Bajo consumo
Protección de los programas frente a copias
2.1.1.1.1 Componentes de un Microcontrolador
Un microcontrolador combina los recursos fundamentales disponibles en un
microcomputador, es decir, la unidad central de procesamiento, la memoria y
los recursos de entrada y salida en un único circuito integrado,en al figura 2.3
se muestra el diagrama de bloques de un microconrolador.(Valdés, 2007)
Figura 2.3 Diagrama de bloques de un microcontrolador Fuente: (Valdés, 2007)
11
Los microcontroladores disponen:
Procesador: El cual se compone de dos bloques unidad de control que se
encarga de interpretar el tipo de instrucción que se debe realizar y el camino de
datos que realiza las operaciones con los datos.
Memoria de programa: Guarda las instrucciones del programa que tiene que
ejecutar el microcontrolador. Los tipos de memoria de un microcontrolador son:
ROM, EPROM, OTP (programable una vez) EEPROM,FLASH.
Memoria de datos: esta memoria varia continuamente por lo que debe ser de
lectura y escritura la mas adecuada es la memoria RAM.
Líneas de E/S: sacan información de los periféricos y recursos internos al
exterior, también recogen información de los dispositivos del exterior y los
introducen al microcontrolador para su procesamiento, son de tipo
multifuncional que significa que pueden realizar diversas funciones.
Recursos y periféricos auxiliares: según cada modelo de microcontrolador
incorpora diversos elementos que potencia su empleo entre los recursos mas
comunes se encuentran circuito de reloj que genera los impulsos que
sincronizan el funcionamiento del sistema, temporizadores para controlar
tiempos y retardos, perro guardián que vigila el programa y lo reinicia cuando
se bloquea, conversores análogo digital y digital análogo, comparadores
analógicos, sistema de protección ante fallos de alimentación ,bajo consumo de
energía y protocolos de comunicación.(Angulo J. M., 2007)
2.2.1.1.2 Teclado Matricial
Un teclado matricial es un simple arreglo de botones conectados en filas y
columnas de tal modo que se pueden leer varios botones con el mínimo
número de pines requeridos. Los teclados matriciales son ensamblados en
forma de matriz como se muestra en la figura 2.4.
12
Figura 2.4 Teclado matricial 4x4 Fuente:(Canto C. E., 2013)
Cuando se oprime una tecla se hace conexión entre la columna y el renglón de
la tecla, mientras que sino se oprime ninguna no hay conexión entre renglones
y columnas.
Un teclado matricial 4x4 como el de la figura anterior solamente ocupa cuatro
de líneas de un puerto para las filas y otras cuatro líneas para las columnas, de
este modo se puede leer 16 teclas utilizando solo 8 líneas de un
microcontrolador.
Si se asume que todas las columnas y filas están en 1 lógico la pulsación de
un botón se puede detectar a poner cada fila en 0 lógico y chequear cada
columna en busca de un cero, si ninguna columna esta en bajo entonces el
cero de las filas se recorre hacia la siguiente y así sucesivamente.
Otro modo de detectar si una tecla es presionada es incrementar una variable
con la cuenta de las teclas revisadas, de este modo al detectar una pulsación el
valor de la cuenta será el valor de la tecla presionada. Si al final no se precioso
ninguna tecla la variable se hace cero y la cuenta vuelve a comenzar.(Canto C.
E., 2013).
13
2.2.1.1.3 Temporizadores (Timers)
Un temporizador (timer) son dispositivos electrónico utilizado para proveer
señales de base de tiempo o para generar señales de acción retardada
variable.
Un timer digital consiste de un contador decreciente en donde cada
decremento en su conteo será realizado a una frecuencia conocida dada en
veces por segundo y al llegar a cero activa un relevador, en la figura 2.5 se
muestra el diagrama de bloques de un timer.
Figura 2.5 Diagrama de bloques de un timer Fuente: (Canto C. , 2013)
Según en que momento se produzca el retardo los temporizadores se dividen
en tres grupos:
Activación: una vez aparecida la señal de entrada retarda un tiempo t1 en
reflejarse dicha señal a la salida como se muestra en la figura 2.6.
Figura 2.6 Representación de temporizadores a la activación Fuente: (N, 2011)
14
Desactivación: cuando se retarda la desactivación de la salida hasta un
tiempo t2 después de extinguida la señal de activación como se muestra en la
figura 2.7.
Figura 2.7 Representación de temporizadores a la desactivación Fuente:(N, 2011)
Activación y Desactivación: Cuando se combina la acción de un
temporizador a la activación y otro a la desactivación sobre la misma señal
como se muestra en la figura 2.8.
Figura 2.8 Representación de los temporizadores a la activación-desactivación Fuente:(N, 2011)
La representación de los símbolos de las figuras 2.6, 2.7 y 2.8 son los
siguientes:
A= señal de entrada
t= tiempo de retardo o temporización
= activación de la señal de entrada
=desactivación ed la señal de entrada
At=señal retardada en un tiempo t
15
En la figura 2.9 se muestran las diferentes formas de onda de cada uno de los
tipos de temporizadores antes mencionados suponiendo que la señal de
entrada es cuadrada.
Figura 2.9 Formas de onda para los distintos temporizadores Fuente: (N, 2011)
2.2.1.1.4 Cerradura Eléctrica
Una cerradura eléctrica es un dispositivo de fijación que actúa mediante
corriente eléctrica. Las cerraduras eléctricas son a veces independientes con
un control electrónico montado directamente a la cerradura. Las cerraduras
más a menudo eléctricas están conectadas con un sistema del control de
acceso.
2.2.1.1.4.1 Tipos de cerraduras eléctricas
El tipo más básico de cerradura electrónica es una cerradura magnética
(comúnmente llamada una cerradura del mag). Un electroimán grande se
monta en el marco de puerta y una armadura correspondiente se monta en la
16
puerta. Cuando se acciona el imán y la puerta es cerrada, la armadura se
sostiene rápida al imán como se muestra en la figura 2.10.
Figura 2.10 Cerradura Magnética Fuente:(linea, 2008)
La mortaja eléctrica y las cerraduras cilíndricas son descenso en los
reemplazos para las cerraduras mecánicas montadas puerta. Un agujero se
debe perforar adentro la puerta para los cables de alimentación eléctricos.
También una bisagra de la transferencia del poder se utiliza para conseguir el
poder del marco de puerta a la puerta. La mortaja eléctrica y las cerraduras
cilíndricas permiten salida libre mecánica. La mortaja eléctrica y las cerraduras
cilíndricas pueden ser fall abierto o fall cerrado en la figura 2.11 se muestra una
cerradura de mortaja.
Figura 2.11 Cerradura de mortaja eléctrica Fuente:(Hangzhou Youth Trade Co., 2013)
17
Las cerraduras con motor se utilizan en Europa. Una cerradura con motor
europea tiene dos modos, modos del día donde solamente está accionado
eléctricamente el cierre, y modos de noche donde está más el deadbolt el
seguro accionado eléctricamente en la figura 2.12 se muestra una cerrdura de
motor.
Figura 2.12 Cerradura motorizada Fuente:(Gav, 2013)
2.2.1.1.5 Ventiladores
Un ventilador es una máquina rotativa que pone el aire, o un gas, en
movimiento. Podemos definirlo como una turbo máquina que transmite energía
para generar la presión necesaria con la que mantener un flujo continuo de
aire.
18
Un ventilador consta en esencia de un motor de accionamiento, generalmente
eléctrico, con los dispositivos de control propios de los mismos: arranque,
regulación de velocidad, conmutación de polaridad y un propulsor giratorio en
contacto con el aire, al que le transmite energía.
Este propulsor adopta la forma de rodete con álabes, en el caso del tipo
centrífugo, o de una hélice con palas de silueta y en número diverso, en el caso
de los axiales.
La hélice va envuelta por una caja con paredes de cierre en forma de espiral
para los centrífugos y por un marco plano o una envoltura tubular en los
axiales. La envolvente tubular puede llevar una reja radial de álabes fijos a la
entrada o salida de la hélice, llamada directriz, que guía el aire, para aumentar
la presión y el rendimiento del aparato.
En el tipo helicocentrífugo y en el transversal, el elemento impulsor del aire
adopta una forma cercana al de los rodetes centrífugos.
2.2.1.1.5.1 Circulación del aire
El aire circula por un conducto gracias a la diferencia de presión que existe
entre sus extremos.
Para diferencias de nivel de hasta 100 m, velocidades inferiores a 50 m/s (caso
que puede considerarse al aire como incompresible) y régimen estacionario, las
presiones obedecen al siguiente teorema:
2.2.1.1.5.2 Teorema de Bernouilli
“Describe el comportamiento de un fluido moviéndose a lo largo de una línea
de corriente y expresa que un fluido ideal sin viscosidad ni rozamiento en
régimen de circulación por un conducto cerrado, la emergía que posee el fluido
permanece constante a lo largo de su recorrido”.
La energía de un fluido en cualquier momento consta de tres componentes
cinético que es la energía de vida a la velocidad que posea el fluido, potencial
gravitacional que es la energía debido a la altitud que un fluido posea, y por
19
ultimo energía de flujo que es la energía que un fluido contiene debido a la
presión que posee.(Vallejo, 2003)
La siguiente ecuación conocida como ecuación de Bernoulli consta de estos
términos:
[2.1]
Donde:
V= Velocidad del fluido en la sección considerada
g= Aceleración gravitatoria
z= Altura en la dirección de la gravedad desde una cota de referencia
P= Presión a lo largo de la línea de corriente
= densidad del fluido
Para aplicar la ecuación se debe realizar los siguientes supuestos:
Viscosidad=0
Caudal constante
Fluido incomprensible donde densidad es constante
La ecuación se aplica a lo largo de una línea de corriente.
2.2.1.1.5.3 Presiones
Si el conducto es horizontal, o la diferencia es inferior a 100 metros, la presión
por diferencia de altura es cero.
La presión estática Pe actúa en todos sentidos dentro del conducto. Se
manifiesta en el mismo sentido y en el contrario de la corriente.
La presión dinámica Pd actúa en el sentido de la velocidad del aire.
La presión total Pt es constante en todos los puntos del filete de fluído
considerado y su expresión es:
Pt = Pe + Pd [2.2]
20
2.2.1.1.5.4 Caudal
Es la cantidad de aire que circula por el conducto. Su expresión es:
Q = v S (m3/h) [2.3]
En la figura 2.13 se representa un tramo de conducto horizontal de aire
(considerado sin pérdidas, para simplificar), recorrido por el caudal Q(m3/h),
con la velocidad v (m/s) y de Sección S (m2). Una Sonda de Presión estática
Pe y un Tubo de Prandtl nos da la Presión Dinámica.
Las fórmulas de relación de todos estos parámetros se indican en la misma
figura.
Figura 2.13 Caudal, Velocidad y Presión Fuente: (ForoFrio, 2013)
2.2.1.1.6 Curva Característica
Es la representación gráfica de todos los estados caudal-presión de qué es
capaz un ventilador. Su representación en la figura 2.14 muestra una curva
característica típica con expresión de las tres presiones mencionadas. Para
cualquier ordenada en la gráfica, se cumple:
Pt = Pd + Pe [2.4]
21
Figura 2.14 Curva Característica de un ventilador Fuente: (ForoFrio, 2013)
2.2.1.1.6.1 Tipo de Curva Característica
Según sea el ventilador, su curva característica adopta una u otra forma
primando el concepto de caudal sobre el de presión o viceversa.
En los ventiladores helicoidales, axiales, en comparación con el caudal de que
son capaces, sus posibilidades de presión son discretas. Los ventiladores
centrífugos, en general, son capaces de presiones altas con caudales más bien
bajos y los ventiladores helicocentrífugos participan de ambas posibilidades de
caudal y presión, si bien no en la medida que a específica de los otros.
2.2.1.1.7 Clasificación de los ventiladores
Los ventiladores han venido clasificándose de muy diferentes maneras y no es
extraño que un mismo aparato pueda aceptar dos, tres o más denominaciones.
Por lo que los ventiladores se clasifican según:
Su Función:
Ventiladores con Envolvente: Suele ser tubular. A su vez pueden ser:
Impulsores: Entrada libre, salida entubada.
22
Extractores: Entrada entubada ,descarga libre.
Impulsores-Extractores: Entrada y salida entubadas
Ventiladores Murales: Conocidos también como simplemente Extractores,
tienen la función de trasladar aire entre dos espacios separados por un muro o
pared.
Ventiladores de Chorro: Aparatos usados para proyectar una corriente de aire
incidiendo sobre personas o cosas.
La trayectoria del aire.
Ventiladores Centrífugos: En estos aparatos la trayectoria del aire sigue una
dirección axial a la entrada y paralela a un plano radial a la salida. Entrada y
salida están en ángulo recto.
El rodete de estos aparatos está compuesto de álabes que pueden ser hacia
adelante, radiales, atrás.
Ventiladores Axiales: La entrada de aire al aparato y su salida siguen una
trayectoria según superficies cilíndricas coaxiales.
Ventiladores Transversales: La trayectoria del aire en el rodete de estos
ventiladores es normal al eje tanto a la entrada como a la salida, cruzando el
cuerpo del mismo.
Ventiladores Helicocentrífugos: Son aparatos intermedios a los ventiladores
centrífugos y a los ventiladores axiales. El aire entra como en los axiales y sale
igual que en los centrífugos.
La presión:
Ventiladores de Baja Presión: Se llaman así a los que no alcanzan los 70
Pascales. Suelen ser centrífugos y por autonomasia se designan así los
utilizados en climatizadores.
Mediana Presión: Si la presión está entre los 70 y 3.000 Pascales. Pueden
ser centrífugos o axiales.
23
Alta Presión: Cuando la presión está por encima de los 3.000 Pascales,
suelen ser centrífugos con rodetes estrechos y de gran diámetro.
Condiciones de funcionamiento:
Ventiladores Estándar: Son los aparatos que vehiculan aire sin cargas
importantes de contaminantes, humedad, polvo, partículas agresivas y
temperaturas máximas de 40º si el motor está en la corriente de aire.
Ventiladores Especiales: Son los diseñados para tratar el aire caliente,
corrosivo, húmedo o bien para ser instalados en el tejado o dedicados al
transporte neumático.
Sistema de accionamiento:
Accionamiento Directo: Cuando el motor eléctrico tiene el eje común, o por
prolongación, con el del rodete o hélice del ventilador.
Accionamiento por Transmisión: Como es el caso de transmisión por
correas y poleas para separar el motor de la corriente del aire.
Control de las Prestaciones:
Es el caso de ventiladores de velocidad variable por el uso de reguladores
eléctricos, de compuertas de admisión o descarga, modificación del caudal por
inclinación variable de los álabes de las hélices.(ForoFrio, 2013).
2.2.1.1.8 Calefactor
Los calefactores eléctricos funcionan a través de resistencias. Es decir, una
línea de voltaje eléctrica fluye a través del elemento calefactor y a medida que
se encuentra la resistencia eléctrica en el elemento calefactor, dicho elemento
se calienta.
Los calefactores de pared eléctricos requerirán de un circuito eléctrico especial
de 120 voltios o 240 voltios, dependiendo del tamaño de la unidad y el tamaño
de la habitación que será calentada.
24
Los calefactores eléctricos trabajan por convección o calor radiante: El calor
por convección utiliza la ley natural de que el aire caliente se eleva y se basa
en la convección natural para mover el calor alrededor de la habitación. El calor
radiante o infrarrojo es distinto en que éste calienta los objetos y no el aire.
Los calefactores eléctricos pueden venir en algunos estilos. Existen
calefactores de pared
calefactores rodapié
calefactores de zócalo
calefactores de caleta
Calefactores eléctricos de pared
Los calefactores de pared son útiles para calefacción suplementaria en
habitaciones pequeñas. Generalmente están empotrados en una cavidad en la
pared entre dos travesaños y con mayor frecuencia calefactores de tipo
convección con un ventilador motorizado aunque algunos modelos usan un
radiador silencioso con bobinas eléctricas y panel trasero reflejante.
Calefactores eléctricos de rodapié
Los calefactores eléctricos de rodapié se ven como los calefactores de rodapié
hidrónicos (de agua caliente) pero utilizan una espiral calentadora para
calefacción por convección no motorizada. Los calefactores de rodapié no
tienen espacio ni son efectivos para enfriamiento motorizado efectivo, así que
dejan que la madre naturaleza se encargue de mover el aire caliente.
Al utilizar convección, el aire frío es traído a las ranuras inferiores y calentado
por los espirales calentadores y las aletas. Luego el aire caliente sale de las
ranuras superiores de la unidad. Estas unidades usualmente son colocadas
debajo de ventanas para contrarrestar la pérdida de calor a través del vidrio.
25
Calefactores de zócalo eléctricos
Los calefactores de zócalo son ideales para aplicaciones de espacio limitado.
Están diseñados para ser de bajo perfil, cerca de 3.5" lo cual les permite caber
perfectamente en un espacio de zócalo de 4" bajo gabinetes y tocadores. Sus
proporciones permiten el uso de un ventilador motorizado para distribuir el aire
caliente.
Calefactores eléctricos de caleta
Los calefactores eléctricos de caleta usan calor radiante directo (infrarrojo) para
máxima comodidad. Debido a que el calor radiante no calienta el aire sino los
objetos son calentados por la energía radiante del panel. El calor radiante
permite al panel ser colocado en cualquier lugar, así que esta es la razón por la
que el calefactor de caleta puede ser colocado en la pared justo debajo del
techo.
2.2.1.2 Sensorica
2.2.1.2.1 Sensor de Temperatura
El LM35 es un sensor de temperatura integrado de precisión, cuya tensión de
salida es linealmente proporcional a temperatura en ºC (grados centígrados). El
LM35 por lo tanto tiene una ventaja sobre los sensores de temperatura lineal
calibrada en grados Kelvin: que el usuario no está obligado a restar una gran
tensión constante para obtener grados centígrados. El LM35 no requiere
ninguna calibración externa o ajuste para proporcionar una precisión típica de ±
1.4 ºC a temperatura ambiente y ± 3.4 ºC a lo largo de su rango de temperatura
(de -55 a 150 ºC). El dispositivo se ajusta y calibra durante el proceso de
producción. La baja impedancia de salida, la salida lineal y la precisa
calibración inherente, permiten la creación de circuitos de lectura o control
especialmente sencillos. El LM35 puede funcionar con alimentación simple o
alimentación doble (+ y -).
26
Requiere sólo 60 µA para alimentarse, y bajo factor de auto-calentamiento,
menos de 0,1 ºC en aire estático. El LM35 está preparado para trabajar en una
gama de temperaturas que abarca desde los- 55 ºC bajo cero a 150 ºC,
mientras que el LM35C está preparado para trabajar entre -40 ºC y 110 ºC (con
mayor precisión), en las figuras 2.15,2.16,2.17 se muestra los diferentes rangos
de trabajo de un LM35 .(Diaz, 2012)
Características
Calibrado directamente en grados Celsius (Centígrados)
Factor de escala lineal de +10 mV / ºC
0,5ºC de precisión a +25 ºC
Rango de trabajo: -55 ºC a +150 ºC
Apropiado para aplicaciones remotas
Bajo costo
Funciona con alimentaciones entre 4V y 30V
Menos de 60 µA de consumo
Bajo auto-calentamiento (0,08 ºC en aire estático)
Baja impedancia de salida, 0,1W para cargas de 1mA
Aplicaciones Típicas:
Figura 2.15 Sensor de temperatura básico (+2 ºC a 150ºC) Fuente:(Diaz, 2012)
27
Figura 2.16 Sensor de temperatura con rango completo Fuente:(Diaz, 2012)
Figura 2.17 Sensor de temperatura con alimentación simple y rango completo (-55ºC a 150ºC) Fuente:(Diaz, 2012)
2.2.1.2.2 Modelado matemático de sistemas térmicos
Los sistema térmicos son aquellos que involucran la transferencia de calor de
una sustancia a otra, estos sistemas se analizan en términos de resistencia y
capacitancia aunque la capacitancia térmica y la resistencia térmica no se
representen con precisión como elementos de parámetros concentrados que
están distribuidos en todas las sustancias. El calor fluye de una sustancia a otra
28
de tres formas diferentes: por convección, por conducción y por
radiación.(Ogata, 2010)
En la figura 2.18 se describe el modelado matemático del sistema de térmico
Figura2.18 Esquema del modelamiento matemático del sistema térmico Fuente: Alejandra Guapaz Bone
Ti= Temperatura de referencia
Tc=Temperatura del cuarto
Ct=capacitancia térmica
( )
Ecuación de estado
( ) ( )(
) [2.5]
29
Respuesta del sistema
Tc(t)=Ti(t) (
) [2.6]
Ti Ei+ E Q Tic
Ec
Figura 2.19 Diagrama de bloques del sistema Fuente: (Ogata, 2010)
Ecuación de Transferencia de un sistema térmico
Tc(t)= ( )
[
] [2.7]
2.2.1.3 Comunicaciones
2.2.1.3.1 Radiofrecuencia
La comunicación por medio de radiofrecuencia tiene lugar cuando una señal,
en el rango de 30Khz a 300Ghz, se propaga de transmisor a receptor. Entre
estos últimos no siempre existe lo que se conoce como línea de vista o
LOS(line-of-sight) y la señal sufre diversos efectos antes de llegar a su destino.
Comunicación multiruta y sus efectos:
Se dice que hay línea de vista cuando no existen obstáculos entre trasmisor y
receptor en una ruta directa. Al no existir línea de vista, la trasmisión es de tipo
Ki 1/k 1/k
Kc
30
multiruta. En una transmisión de este tipo la señal sufre efectos como
difracción, refracción, reflexión y dispersión, los cuales provocan que la
comunicación entre transmisor y receptor se complete por diferentes
trayectorias.
La difracción ocurre cuando la señal cambia debido al borde de un obstáculo, a
pesar de provocar pérdidas este fenómeno ayuda a la transmisión de la señal
cuando no se tiene línea de vista, la refracción también tiene como
consecuencia el cambio de dirección esta se da cuando la señal pasa d un
medio a otro. Siempre que existe la refracción se produce otro fenómeno que
se conoce como reflexión, sin embargo no siempre existe refracción cuando se
da la reflexión. La reflexión de una señal se da cuando la señal choca con un
objeto de dimensiones mucho mayores a la de la longitud de onda lo que
provoca que u porcentaje sea trasmitido y otro sea reflejado.
2.2.1.3.1.1 Antenas:
Una antena es un sistema conductor metálico capaz de radiar y capturar ondas
electromagnéticas. Las antenas son usadas como interfaz entre un dispositivo
guía y el espacio libre tanto como la transmisión como para la recepción.
Cuando se esta transmitiendo se genera un campo electromagnético al
momento de aplicarse el voltaje. En el caso de la recepción el proceso es
inverso, es decir al momento de captar un campo electromagnético la antena
genera como respuesta un voltaje.
El tamaño de las antenas esta relacionado con la longitud de onda de la señal y
es por lo general un submúltiplo exacto de esta. Es por eso que a mayores
frecuencias, el tamaño de la antena es menor.
Esto se puede ver en la siguiente ecuación:
[2.8]
Donde:
= Longitud de onda
31
v=velocidad de propagación
f=frecuencia de operación
Una antena se puede representar por su equivalente Thevenin como se
muestra en la figura 2.19, la fuente es un generador ideal, la línea de trasmisión
es una línea con impedancia Zg y la antena esta formada por una carga
ZA(ZA=(RL+Rr)+jXA). La resistencia RL representa las perdida en el dieléctrico y
la resistencia Rr es la resistencia de radiación,XA es la parte imaginaria de la
impedancia asociada a la radiación de la antena.(Lobato, 2006)
Figura 2.19 Equivalente Thevenin de una antena Fuente:(Lobato, 2006)
2.2.1.3.1 Tecnología TTL
Es una tecnología de construcción de circuitos electrónicos digitales. En los
componentes fabricados con tecnología TTL los elementos de entrada y salida
del dispositivo son transistores bipolares. Lo que significa que la tecnología TTL
es un circuito de transistores ubicados de la siguiente forma la cual se muestra
en la figura 2.20.
32
Figura 2.20 Puerta NAND con tecnología TTL Fuente: (Rodríguez, 2013)
Conversión Serial-Usb
Al transmitir un dato de la PC al micro (o a cualquier otro circuito TTL) el
transistor NPN actúa como un simple interruptor, invierte los pulsos y a la salida
se tiene un nivel TTL de 5 y 0 volts para un 1 y 0 lógico, en la figura 2.21 se
muestra el diagrama de pines de serial a usb .
Por lo que la conversión serial-usb viene dada por: tecnología TTL, integrado
de conversión y la siguiente distribución de pines.
SERIAL USB
PUERTO 1: ---- PUERTO 1: +5VCD
PUERTO2: TX PUERTO 2: USBDM
PUERTO3: RX PUERTO 3: USBD
PUERTO4: ---- PUERTO 4: GND
33
PUERTO5: GND
PUERTO6:----
PUERTO7: RTS
PUERTO8: CTS
PUERTO9:----
Figura2. 21. Diagrama de pines de serial a usb Fuente: Foros de electrónica
2.2.2. Mecánica
La aplicación de esta teoría dotará al sistema domótico de las herramientas
necesarias para el accionamiento de sistemas para la apertura de persianas y
ventanas; es decir, de la fuerza necesaria a través del uso de engranajes para
la acción de los motores sobre los sistemas mecánicos y los soportes para los
diferentes equipos.
El aporte al presente proyecto radica en la materialización de la
automatización, es decir que es el la encargada de dar operatividad al sistema.
2.2.2.1 Motor:
El motor eléctrico es un dispositivo electromotriz, esto quiere decir
que convierte la energía eléctrica en energía motriz. Todos los motores
disponen de un eje de salida para acoplar un engranaje, polea o mecanismo
capaz de transmitir el movimiento creado por el motor.
Un motor eléctrico elemental dc de 2 polos tiene las siguientes partes:
Una armadura o rotor.
Un conmutador.
Escobillas.
34
Un eje.
Un Imán de campo.
Una fuente de poder DC.
El funcionamiento de un motor se basa en la acción de campos
magnéticos opuestos que hacen girar el rotor (eje interno) en dirección opuesta
al estator (imán externo o bobina), con lo que si sujetamos por medio
de soportes o bridas la carcasa del motor el rotor con el eje de salida será
lo único que gire, en la figura 2.22 se muestra un motor de corriente continua.
Figura2.22 Motor de corriente continua Fuente:(SMITH, 1980)
2.2.2.1.1 Motor de corriente continua
Todos los motores eléctricos tienen básicamente los mismos componentes,
tienen un magneto estacionario denominado el estator y un electroimán
denominado la armadura. El estator genera el campo magnético. Cuando una
corriente eléctrica se hace pasa por el embobinado de la armadura que se ha
colocado en el campo magnético generado por el estator, esta comienza a rotar
debido al torque magnético. De esta manera al energía eléctrica se convierte
35
en energía mecánica. Si el eje del motor se conecta mediante una correa a una
polea esta se pone en movimiento. Un motor de CC esta compuesto por un
imán fijo que constituye el inductor y un bobinado denominado inducido que es
capaz de girar en el interior del primero, cuando recibe una CC.
2.2.2.1.1.1 Clasificación de los Motores de corriente continua
Los motores de corriente continua se clasifican según la forma de conexión de
las bobinas inductoras e inducidas entre si:
Motor de excitación independiente
Motor de serie
Motor de deriacion o motor Shunt
Motor Compound
Motor de excitación independiente: El inductor y el inducido se alimentan de
dos fuentes de energía independientes.
Motor Serie: en este tipo de motor las bobina inductoras y las inducidas entre s
están conectadas en serie.
Motor derivación: En este tipo de motores, las bobinas inductoras van
conectadas en paralelo o derivación con las bobinas inducidas.
Motor compound: En este tipo de conexión el devanado inductor se divide en
dos: una parte se conecta en serie con el devanado inducido, y la otra parte n
paralelo.
Motor Shunt: Dispone los devanados inductor e inducido e paralelo.
Rendimiento de un motor de corriente continua
El rendimiento de un motor se define como:
[2.9]
La potencia útil es siempre menor que la potencia absorbida, donde Pper es la
potencia debida a las perdidas en forma de calor.
36
La potencia debida a las perdidas por efecto Joule, también llamadas perdidas
en el cobre son:
Pcu=I2.R [2.10]
Donde I es la intensidad de la corriente que recorre los devanados(amperios) R
es la resistencia eléctrica de los conductores (en ohmios), la potencia
absorbida(Pab) es de origen eléctrico en un motor, mientras que la potencial
útil es mecánica, puesto que es la forma de energía que entrega el motor.
2.2.2.1.1.2 Conceptos Básicos
Velocidad, Torque y Potencia (HP)
Las características velocidad - torque dan al motor D-C una versátil aplicación.
El torque de régimen de un motor D.C es dado a una velocidad específica
llamada Velocidad Base.
La velocidad base se define como las RPM( revoluciones por minuto) de un
motor D.C cuando opera a:
Corriente de campo de régimen
Voltaje de armadura de régimen
Carga de régimen (Corriente de Armadura)
La velocidad base (RPM) se muestra en la placa del motor. Típicas velocidades
base para motores D.C son: 850, 1150, 1750 y 2500 RPM. A velocidad base,
un motor D.C entrega la velocidad, torque y HP de régimen (nominales). La
tolerancia de la NEMA para la velocidad base es del 7½ %.
La combinación de velocidad y torque desarrolla los HP de régimen de acuerdo
con la siguiente relación:
[2.11]
Donde:
37
5250: Factor de conversión
Torque (T): libra-pie
Velocidad (N): r.p.m
Esta fórmula establece los HP del motor a un torque y velocidad específicos.
Los motores se acoplan a reductores, correas y poleas, y otros dispositivos
modificadores de velocidad, para producir torque o velocidades mayores que
las de placa, pero esta combinación nunca debe exceder el valor de los HP de
placa.
Pueden obtenerse torques mayores, pero solo a proporcionalmente
velocidades menores, o se disponen de velocidades mayores (hasta la máxima
velocidad de placa con debilitamiento del campo) si proporcionalmente se
acepta un menor torque.
2.2.2.1.1.3 Ecuación general de los motores DC
Con la excepción de los controladores que también regulan la corriente de
campo, el voltaje de armadura Et es el único parámetro que el controlador
puede directamente cambiar o regular. Los sistemas de control pueden
clasificarse como reguladores de voltaje, velocidad, corriente (torque), tensión o
posición. Todos estos sistemas utilizan un dispositivo de realimentación
apropiado para permitir al controlador regular la función deseada.
La ecuación general del motor define el funcionamiento del motor bajo
diferentes condiciones de voltaje y carga
Et = Ec + Ia.Ra [2.12]
Donde:
Et: Voltaje en los terminales de la armadura
Ec: Fuerza contra electromotriz
Ia: corriente de la armadura
Ra: resistencia de la armadura
38
Ec = K.N [2.13]
Siendo:
K: el flujo magnético
N: velocidad (rpm)
El voltaje Ec se opone al voltaje aplicado a la armadura Et, y por esta razón es
llamado fuerza contra electromotriz (FCM). Este voltaje es el resultado del corte
del campo magnético al girar los conductores de la armadura, produciendo así
un voltaje generado. Bajo condiciones normales de operación, este término
(Ec) es mucho mayor que el termino Ia.Ra. La velocidad del motor es
proporcional al voltaje aplicado en los terminales, el cual es el voltaje que se
muestra en la placa del motor.
2.2.2.1.1.4 Modelamiento matemático de un motor DC
Para modelar sistemas electromecánicos se deben tomar en cuenta las
equivalencias mecánicas,en la figura 2.23 se muestra el esquema de un motor
DC.
Traslación Rotación
f (fuerza) T (torque)
m (masa) J (inercia)
v (velocidad lineal) ω (velocidad angular)
x (desplazamiento) θ (posición)
B (rozamiento) B (fricción)
ae
ee
,,T
constif
Ba
i
aR
aL
Figura 2.23 Esquema de un motor DC Fuente: (Nacional, 2012)
39
Ecuaciones Diferenciales
Sistema eléctrico: e
a
aaaae
dt
diLiRe
[2.14]
ee
Ke
Sistema mecánico: aTfaiKiiKT , puesto que f
i es constante
BJT [2.15]
S
1
TK
eK
P
T
aasLR
1
sJB
1
aI
aE
eE
eléctrico
mecánico
Figura 2.24 Diagrama de bloques de un motor DC Fuente: (Ogata, 2010)
ai
JT
K /
JB /
ae
ai
1s 1
s1
s
aaLR /
aeLK /
aL/1
Figura 2.25 Diagrama de flujo de un motor DC Fuente: (Ogata, 2010)
40
a
aeT
a
aaa
T
JL
BRKKS
JL
BLJRS
JL
K
sD
sNKsG
2
1
)(
)()(
[2.16]
2.2.2.1.1.5 Parámetros fundamentales de un motor DC
Potencia de salida máxima P2max (mW)
Es la máxima potencia mecánica desarrollada en el eje del motor,
recomendada por el fabricante sin que se produzcan problemas de
conmutación que desemboquen en un fallo prematuro del motor.
Tensión nominal Un (V)
Es la tensión de referencia ala que se proporcionan otros datos nominales del
motor. Téngase en cuenta que los valores nominales presentes en las hojas de
características de cualquier fabricante sólo se cumplen a esta tensión de
trabajo. Este voltaje ha sido escogido para que el motor no sobrepase la
máxima velocidad recomendada girando sin carga.
Velocidad en vacío w0 (rpm)
También expresada como n0, es la velocidad angular del eje del motor, a la
tensión nominal y sin carga externa aplicada. Se suele dar a temperatura del
bobinado de 25ºC. En la práctica esta velocidad es proporcional a la tensión
externa aplicada.
Corriente sin carga I0 (mA)
Es la corriente que el motor absorbe sin carga (sin proporcionar par útil alguno).
Depende de la fricción en las escobillas y en los cojinetes. Varía ligeramente
con diferentes velocidades.
Corriente de arranque IA (mA)
Es la corriente que absorbe, instantáneamente, el motor cuando partiendo del
reposo (ω =0) se le aplica una tensión determinada (en principio la nominal).
Por tanto se puede calcular como el cociente entre la tensión aplicada y la
resistencia del devanado.
Constante de par KM (mNm/A)
41
También se le conoce como par específico y es la característica del motor que
liga la excitación eléctrica (corriente) con el par generado.
Par de parada Mh (mNm)
También conocido como par de arranque o par en cortocircuito, en definitiva es
el par necesario para detener el eje del motor cuando éste se encuentra
excitado a la tensión nominal. Generalmente se da a 25ºC y es fuertemente
dependiente de la temperatura.
Par generado por el motor Mm (mNm)
También expresado como Mi, es el par interno generado, siendo directamente
proporcional a la corriente de armadura Ia.
Par de pérdidas Mr (mNm)
Es el par invertido por el motor en vencer las pérdidas por rozamiento del
eje(rodamientos) y fricción de las escobillas.
Relación velocidad/par Dw/DM (rpm/Nm)
Esta relación dice mucho acerca de la capacidad de entrega de potencia del
motor. Cuanta más plana es la relación, menor es la variación de velocidad
sufrida durante las variaciones de carga.
Teniendo en cuenta la relación que liga la velocidad de salida con la tensión
aplicada al motor, en régimen permanente.
Constante de tensión generada KE (mV/rpm)
También se conoce como constante de fuerza contra electromotriz o de tensión
inducida.
Constante de velocidad Kn o Kw (rpm/V)
Expresa la velocidad de salida por voltio aplicado sin tener en cuenta ninguna
pérdida por fricción. El recíproco dela constante de velocidad es la constante
de tensión o de fuerza contra electromotriz.
Constante de tiempo eléctrica te (ms)
Es el tiempo que tarda la corriente en alcanzar el 63% del valor final una vez
que se bloquea el eje del motor.
Constante de tiempo mecánica m (ms)
Es el tiempo que tarda el motor en acelerarse, partiendo del reposo, hasta
alcanzar el 63% del valor final de la velocidad. Este dato se da bajo
42
condiciones de Mʃ=0 (sin carga) y aplicando la tensión nominal. En un tiempo
de 4 el motor habrá alcanzado el 99% de su velocidad en vacío.
Aceleración máxima amax (rad s-2)
Es el máximo cambio de velocidad angular admitido en el eje del motor, sin
carga y sin momentos de inercia adicionales a los del rotor Jm , cuando se
aplica la tensión nominal. (Cruz, 2011)
2.2.2.1.2 Motores en robótica
Servomotores: Se trata de unos motores con circuito electrónico, estos
servomotores cumplen una características que los hacen idóneos para la
construcción de robots, tale como un buen par de salidas, potencia suficiente
para trasladar objetos o una batería, baja inercia son capaces de mover 3,5kg x
cm.
2.2.3. Informática
El uso de la informática permitirá la integración de los procesos distribuidos en
el entorno de aplicación del Sistema haciendo uso de software de control
especializado capaz de cumplir con los objetivos propuestos.
Estará encargada de la generación mediante algoritmos de una interfaz
adecuada para presentarla al usuario y del procesamiento de la información
provista por el Hardware.
Mantiene una estrecha relación con las señales eléctricas en cuanto a su
procesamiento se refiere.
2.2.3.1 Lenguajes de Programación
Un lenguaje de programación es un lenguaje diseñado para describir el
conjunto de acciones consecutivas que un equipo debe ejecutar. Por lo tanto,
un lenguaje de programación es un modo práctico para que los seres humanos
puedan dar instrucciones a un equipo.
Los lenguajes que los equipos usan para comunicarse entre ellos no tienen
nada que ver con los lenguajes de programación; se los conoce
43
como protocolos de comunicación. Se trata de dos conceptos totalmente
diferentes. Un lenguaje de programación es muy estricto:
A cada instrucción le corresponde una acción de procesador.
El lenguaje utilizado por el procesador se denomina lenguaje máquina. Se trata
de datos tal como llegan al procesador, que consisten en una serie de 0 y 1
( datos binarios).
El lenguaje máquina, no es comprensible para los seres humanos, razón por la
cual se han desarrollado lenguajes intermediarios comprensibles para el
hombre. El código escrito en este tipo de lenguaje se transforma en código
máquina para que el procesador pueda procesarlo.
El ensamblador fue el primer lenguaje de programación utilizado. Es muy
similar al lenguaje máquina, pero los desarrolladores pueden comprenderlo. No
obstante, este lenguaje se parece tanto al lenguaje máquina que depende
estrictamente del tipo de procesador utilizado cada tipo de procesador puede
tener su propio lenguaje máquina. Así, un programa desarrollado para un
equipo no puede ser portado a otro tipo de equipo. El término portabilidad
describe la capacidad de usar un programa de software en diferentes tipos de
equipos. Para poder utilizar un programa de software escrito en un código
ensamblador en otro tipo de equipo, en la tabla 2.1 se muestran las diferentes
clase de lenguaje de programación.
Un lenguaje de programación tiene varias ventajas:
Es mucho más fácil de comprender que un lenguaje máquina:
Permite mayor portabilidad, es decir que puede adaptarse fácilmente
para ejecutarse en diferentes tipos de equipos.(Kioskea, 2012)
Tabla 2.1: Diferentes clases de lenguaje de programación
Lenguaje Principal área de aplicación Compilado/interpretado
ADA Tiempo real Lenguaje compilado
44
BASIC Programación para fines educativos Lenguaje interpretado
C Programación de sistema Lenguaje compilado
C++ Programación de sistema orientado a
objeto Lenguaje compilado
Cobol Administración Lenguaje compilado
Fortran Cálculo Lenguaje compilado
Java Programación orientada a Internet Lenguaje intermediario
MATLAB Cálculos matemáticos Lenguaje interpretado
Cálculos
matemáticos Cálculos matemáticos Lenguaje interpretado
LISP Inteligencia artificial Lenguaje intermediario
Pascal Educación Lenguaje compilado
PHP Desarrollo de sitios web dinámicos Lenguaje interpretado
Inteligencia artificial Inteligencia artificial Lenguaje interpretado
Perl Procesamiento de cadenas de
caracteres Lenguaje interpretado
Fuente:(Kioskea, 2012)
2.2. Marco de referencia
El campo de aplicación del presente proyecto es la Mecatrónica enfocada a
procesos de domótica.
45
La aplicación domótica a implementarse toma su base como se mencionó
previamente en ciencias como la Electrónica, Mecánica e Informática,
específicamente se utilizará componentes englobados dentro de estas ramas
para crear herramientas que permitan el cumplimiento de los objetivos
planteados de forma integral.
2.3. Marco conceptual
2.3.1. Domótica
Dentro del campo de aplicación de sistemas independientes de automatización
para edificios y residencias hasta hace poco tiempo no existía una integración
de procesos.
Las edificaciones actuales deben garantizar funcionalidad a sus construcciones
de acuerdo a las exigencias de confort, seguridad, ahorro y comunicación que
el mercado actual requiere.
La domótica es una ciencia que integra un conjunto de sistemas que se
comunican entre si para automatizar las instalaciones de una residencia.
Al hacer referencia a la palabra Domótica no se relaciona el proceso a Vivienda
Inteligente, ya que el usuario dentro de la aplicación de la Domótica jamás
debe perder el control manual sobre la vivienda.
Dentro de las principales ventajas de un sistema domótico se tiene:
Bienestar reflejado en el aumento de la calidad de vida.
Seguridad
Confort
Ahorro
En términos técnicos se puede decir que si no existe una integración de
procesos no se puede hablar de Domótica, los principales buses de
comunicación que engloba esta ciencia se listan a continuación:
LonWorks
46
EIB
X10
Sin embargo el presente proyecto por cuestión de enfoque al funcionamiento
base de la domótica y a la experimentación de aplicabilidad de sistemas
convencionales enfocados a este tipo de procesos no hará uso de los buses
convencionales para domótica sino que se desarrollará sistemas que suplan
dichos buses con el objetivo de comprender las bases de esta ciencia.
Al hablar de domótica se engloba las teorías a las que se refiere el apartado
anterior Electrónica, Mecánica e Informática, las cuales a su vez hacen
necesaria la definición de conceptos básicos listados a continuación
provenientes de la aplicación de estas ciencias dentro del campo de la
domótica.
Actuador
Sensor
Bus
Cableado
Corrientes portadoras
Dispositivo de entrada
Instalación Domótica
Nodo
Sistema domótico
Sistemas Domóticos centralizados
Sistemas Domóticos descentralizados
Topología
Adquisición de datos
Controlador
Actuador: Son los dispositivos encargados de realizar el control de algún
elemento dentro de un sistema, como por ejemplo motores, relés,
electroválvulas, etc. Son dispositivos analógicos o digitales de salida de
47
comunicaciones de bus es decir que son los encargados de controlar cargas o
posiciones de contactos.
Sensor: Son dispositivos que convierten las señales o variables físicas del
entorno como la temperatura en el caso del presente proyecto en señales
eléctricas aptas para la transmisión e interpretación de las mismas dentro del
sistema.
Bus: Provienen de la palabra Binary Unit System, son las líneas de
intercambio de datos a la que se pueden conectar los diferentes dispositivos y
componentes del sistema, permitiendo la comunicación entre ellos. Constituyen
el medio y el método de comunicación entre dos o más dispositivos con interfaz
para la transferencia de información en serie.
Cableado: Es el sistema de cables y soporte físico de conexión entre el
controlador y los otros equipos, para el desarrollo del presente proyecto se
utilizará cable flexible para el soporte de la corriente requerida por los
actuadores y cable multifilar para la comunicación USB entre la tarjeta de
adquisición y el controlador. En cuanto a la comunicación entre la tarjeta de
adquisición y los actuadores la comunicación será inalámbrica.
Dispositivo de entrada: Corresponden a los mandos que posee el sistema ya
sean estos manuales, a distancia, por teclado u otro dispositivo que envíe
información al nodo.
Instalación Domótica: Instalación eléctrica que integra sistemas Domóticos.
Nodo: Son cada una de las unidades del sistema capaces de recibir y procesar
información comunicando, cuando proceda con otras unidades o nodos, dentro
del mismo sistema.
Sistema domótico: Son sistemas de automatización, gestión de energía,
comunicación, servicios, capaces de recoger información del entorno de
aplicación para proveer al usuario de confort, gestión eléctrica, protección, etc.
48
Los Sistemas Domóticos pueden poseer características que permitan la
comunicación con redes exteriores para monitoreo remoto dando valores
agregados a dichos sistemas y los cuales permiten a través de tecnologías
como el internet el control remoto de los procesos.(Cedom, 2010)
Sistemas Domóticos Centralizados: Son los sistemas Domóticos en los
cuales todos los componentes del mismo se unen en un nodo central o
controlador el cual posee características de control y mando. En el caso del
presente proyecto este es el tipo de sistema usado para su desarrollo como se
muestra en la figura 2.26.
Figura 2.26. Esquema de Arquitectura de Sistema Domótica Centralizada Fuente: (CASADOMO, 2012)
Sistemas Domóticos Descentralizados: Son sistemas Domóticos en los
cuales todos sus componentes comparten la misma línea de comunicación y
cada uno de ellos posee funciones de control y mando.(CASADOMO, 2012)
Topología: Es la estructura de conexión de las vías de comunicación.
Adquisición de Datos: Es el proceso mediante el cual se toman
electrónicamente las señales eléctricas provenientes de los sensores o mandos
del sistema y se transfieren dichas señales a través de hardware por los
medios de comunicación del sistema. Específicamente para el proyecto se usa
hardware de adquisición de datos basado en microcontrolador Atmel, éste tiene
49
la capacidad de tomar señales a través de sus puertos de entrada y
direccionarlos por sus puertos de salida previo desarrollo y carga de algoritmos
sobre ellos.
Controlador: Son dispositivos capaces de proveer de control, procesamiento y
mando automático al sistema a través de la activación de sus capacidades de
hardware y software. Para el proyecto en cuestión el controlador principal del
sistema será un computador personal (PC) en donde se instalará un software
de control LabVIEW adecuado y dedicado a procesos de control industrial el
cual a través de desarrollo y programación computarizada de algoritmos activa
las capacidades de hardware de la PC para realizar funciones de control sobre
variables programadas y fijadas previamente, en la figura 2.27 se muestra las
capacidades de un sistema domótico.
Figura 2.27.: Esquema de capacidades de un sistema domótico. Fuente: (Casadomo)
3.- METODOLOGÍA
51
3.1. Método
Para el desarrollo del presente proyecto de titulación se utilizará el método
Inductivo, ya que este tipo de método lleva de lo particular a lo general, es decir
de una parte a un todo.
La generalización de los eventos es un proceso que sirve de estructura a todas
las ciencias experimentales, ya que éstas se basan en la observación de un
fenómeno o problema particular, en el presente caso la necesidad de confort y
seguridad innata del ser humano, y posteriormente se realizan investigaciones
y experimentos que conducen a la generalización es decir al producto
terminado, el sistema domótico integrado.
3.2. Técnica
La recolección de información que se utilizará para el proceso de desarrollo del
sistema será la técnica de consulta y observación directa de las necesidades
puntuales de la población que usará el sistema.
La información de referencia se basará en registros de situaciones que
requieran de la aplicación del sistema planteado para efectivizar procesos que
actualmente se encuentran en el mercado.
3.3. Metodología específica
La metodología específica para Mecatrónica abarca la integración de
componentes (hardware) los cuales pueden ser mecanismos simples,
comunicación vía bus o inalámbrica (Wireless), y la integración mediante
procesos informáticos (software) como son la construcción elástica,
retroalimentación programable, precisión a través de medidas, supervisión con
diagnostico de error, habilidades de aprendizaje. El diseño Mecatrónico es
52
concurrente y tiene un sistema global integrado desde un inicio, en la figura 3.1
se muestra el esquema del diseño mecatrónico.
Figura 3.1.: Diseño de la Metodología Mecatrónica Fuente: (Meneses, 2010)
53
3.3.1. Sistema Electrónico / Diseño Hardware
El uso de Controladores para la regulación, proceso e implementación del
presente proyecto es parte fundamental para el correcto funcionamiento del
Sistema, para dicho fin se hará uso de controladores programables,
específicamente microcontroladores para la parte de adquisición de datos y
microprocesadores estructurados dentro de una PC para el control.
Para la parte de adquisición de datos se utilizarán microcontroladores ATMEL,
de gran aceptación dentro del mercado local para aplicaciones de baja potencia
como en el caso del sistema a desarrollar.
Dentro de las gamas que ofrece esta marca de microcontroladores el escogido
por sus capacidades y robustez es el ATMEGA164P. A continuación se
detallan las características que llevaron a escoger esta marca y gama con
respecto a los de la empresa Microchip, y que junto a Atmel dominan el
mercado local en cuanto a este tipo de dispositivos se refiere. La tabla 3.2 se
encuentra realizada seleccionando diferentes clases de microcontroladores.
Las ventajas del microcontrolador ATMEGA164P ante su competencia directa
son evidentes en cuanto a memoria y capacidades de procesamiento, de
manera que se encuentra justificado su uso técnico, que en unión con la
facilidad de programación que posee hacen apropiado su uso, en la figura 3.2
se muestra un microcontrolador ATMEGA164P.(Galarza, 2012)
Figura 3.2.: Microcontrolador ATMEGA164P y Logotipo Atmel.Fuente: ATMEGA
54
Tabla 3.1 Criterios ponderados Microcontroladores
CRITERIOS Número
de pines
Ciclo de
reloj RAM
Memoria
Flash
Ciclo de
máquina
Flujo de
información
Lenguaje
Nativo
Saturación de
memoria
programación en
lenguaje C
Costo
Σ +
1 Ponderación
Número de pines
0,5 0,5 0,5 1 1 0 0 0,5 5 0,11
Ciclo de reloj 0,5
1 1 1 1 0 0,5 0,5 6,5 0,14
RAM 0,5 1
1 1 1 0,5 1 1 8 0,17
Memoria Flash 0,5 1 1
0 0 1 0,5 0 5 0,11
Ciclo de máquina 1 1 1 0
1 0 0 0 5 0,11
Flujo de
información 1 1 1 0 1
0 1 0 6 0,13
Lenguaje Nativo 0 0 0,5 1 0 0
0,5 0 3 0,07
Saturación de
memoria
programación en
lenguaje C
0 0,5 1 0,5 0 1 0,5
0 4,5 0,10
Costo 0,5 0,5 1 0 0 0 0 0
3 0,07
Suma 46 1,00
55
Criterios Número
de pines
Ciclo de
reloj RAM
Memoria
Flash
Ciclo de
máquina
Flujo de
información
Lenguaje
Nativo
Saturación de
memoria
programación en
lenguaje C
Costo Σ Prioridad
89C51 0,54 0,42 0,35 0,22 0,11 0,26 0,33 0,29 0,33 2,85 3
Microchip 0,54 0,42 0,52 0,33 0,33 0,65 0,33 0,10 0,07 3,28 2
Atmel 0,54 0,71 0,87 0,54 0,54 0,65 0,33 0,49 0,26 4,93 1
56
CUADRO DE SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE MICROCONTROLADORES
CRITERIOS Número
de pines
Ciclo de
reloj RAM
Memoria
Flash
Ciclo de
máquina
Flujo de
información
Lenguaje
Nativo
Saturación de
memoria
programación en
lenguaje C
Costo Total
89C51 5 3 2 2 1 2 5 3 5 28
Microchip 5 3 3 3 3 5 5 1 1 29
Atmel 5 5 5 5 5 5 5 5 4 44
NOTA: 5 ES OPTIMO
1 ES MENOR
Fuente: Alejandra Guapaz
57
Las características electrónicas principales del Microcontrolador en análisis se
detallan a continuación:
32 registros de propósito general
16KBytes de memoria de programa
512 Bytes de EEPROM
1KByte de SRAM
4 canales PWM
8 canales ADC de 10 bits
Comunicación USART
Oscilador interno RC de 1MHz, 2 MHz, 4 MHz y 8 MHz
RTC interno con cristal de 32768 Hz
Voltaje de operación de 2.7V a 5.5V de corriente continua
La distribución de pines detallada del dispositivo se encuentra en el Anexo 1.
Para el proyecto a pesar de que el lenguaje nativo del microcontrolador
ATMEGA164P es el lenguaje ensamblador para obtener una visión más simple
y poder utilizar mas recursos del dispositivo se optó por usar programación de
alto nivel, BASIC específicamente, a través de la herramienta BASCOM AVR
de la cual se hablará en el apartado sistema Informático.
La función que cumple este microcontrolador dentro del sistema desarrollado,
corresponde a la adquisición de datos del mismo, el microcontrolador es el
encargado de tomar las señales eléctricas del sensor de temperatura y
direccionar los registros internos para activar los actuadores.
Los elementos adicionales usados para el diseño de la tarjeta de adquisición de
datos y sus características se detallan en la tabla 3.2:
58
Tabla 3.2.: Tabla de elementos de tarjeta de Adquisición de Datos
ELEMENTO
FUNCIÓN
CARACTERÍSTICA
Módulo RF Módulos transmisor TX y Receptor RX
de radiofrecuencia, utilizando
codificador de salida digital a RF
HT12E para Transmisión y
decodificador de RF a entrada Digital
HT12D para receptor.
Elemento
electrónico
compuesto.
Vin=5VDC
Iin>200mA
Vout=5VDC
Iout<=200mA
F=400MHz
Módulo
Serial mini
USB
Módulo Transmisor de datos seriales
TTL 0-5V provenientes del puerto
serial del microcontrolador (µC) a
través de interface miniUSB.
Elemento activo
YS.LC
Vin=5VDC
Iin<=200mA
Vout=5VDC
Iout>200mA
59
Sensor de
Temperatura
Sensor para medición de temperatura
del entorno.
Elemento activo
Vin=5VDC
Iin=200mA
Vout=0-5VDC
(Análogo)
Iout>200mA
Timers Activación de motores y programación
de eventos diarios por hardware.
Vin=110VAC
Vout=Vcontacto
Iout=EEQ
60
Conectores Acople físico para terminales de
sensores y actuadores
Borneras
Espadines
Fuente: Alejandra Guapaz Bone
En cuanto al microprocesador encargado del control del sistema, como se
mencionó anteriormente, se encuentra incluido en un computador personal
(PC), que actúa según las órdenes que se da al sistema a través del software
LabVIEW del cual se hablará posteriormente.
Las características de la PC encargada del control del sistema se muestran en
la tabla 3.3:
Tabla 3.3.: Tabla de características del controlador principal
ELEMENTO CARACTERÍSTICA
Sistema Operativo Windows7 Ultimate Service Pack 1
Procesador Intel Core 2 Duo CPU E7300 2.67GHz
RAM 4.00 GB
Tipo de Sistema 32 Bits
Fuente: Alejandra Guapaz Bone
61
3.3.1.1. Actuadores
Timers: Un temporizador es un dispositivo con frecuencia de acción
programable, que permite medir el tiempo. Estos dispositivos poseen un
circuito basado en un timer 555 el cual según su configuración reacciona a
periodos de tiempo programados por usuario para encender o apagar su
contacto. Un temporizador en domótica es utilizado para encender y apagar
equipos eléctricos a horas determinadas optimizando el consumo de recursos,
los usos más comunes para este tipo de dispositivo son el encendido de
electrodomésticos e iluminación de la vivienda en donde se encuentran
instalados a manera de simulador de presencia.(Angulo J. , 1996)
En el Anexo 2 se muestran las características técnicas del equipo.
Relés: Son dispositivos electromecánicos que constan de una bobina
electromagnética la cual al energizarla produce el cierre de un contacto
mecánico que posee, permitiendo a su vez cerrar circuitos acoplados a el a
manera de un interruptor (switch) eléctrico. En el proyecto los relés (Relays)
serán utilizados para el diseño de los puentes H o inversores de giro de los
motores DC que controlan la apertura y cierre de ventana y persiana en el
domicilio. Un puente H es un arreglo de interruptores, que permite el cierre y
apertura de los contactos automáticamente, cambiar el sentido de la
polarización del motor razón por la cual invierte también su giro como se
muestra en la figura 3.4.
Figura 3.4.: Esquema básico de un puente H. Fuente: Alejandra Guapaz Bone, Proteus7 ARES Profesional
62
Motores DC: Un motor es un dispositivo capaz de transformar algún tipo de
energía (eléctrica, de combustibles fósiles, etc.), en energía mecánica capaz de
realizar un trabajo. En los automóviles este efecto es una fuerza que produce el
movimiento.
Existen diversos tipos, siendo de los más comunes los siguientes:
Motores térmicos, cuando el trabajo se obtiene a partir de energía
calórica.
Motores de combustión interna, son motores térmicos en los cuales se
produce una combustión del fluido del motor, transformando su energía
química en energía térmica, a partir de la cual se obtiene energía
mecánica. El fluido motor antes de iniciar la combustión es una mezcla
de un comburente (como el aire) y un combustible, como los derivados
del petróleo y gasolina, los del gas natural o los biocombustibles.
Motores de combustión externa, son motores térmicos en los cuales se
produce la combustión de un fluido distinto al del motor. El fluido alcanza
un estado térmico en el cual reacciona químicamente produciendo una
fuerza capaz de transmitir energía al rotor y generar movimiento.
Motores eléctricos, cuando el trabajo se obtiene a partir de una corriente
eléctrica aplicada al bobinado del motor el cual magnetiza el rotor
permitiendo la generación de energía mecánica la cual acciona el motor.
La tabla 3.4 se encuentra realizada con diferentes clases de motores existentes
en el mercado.
63
Tabla3.4 Tabla de Criterios ponderados de Motores
CRITERIOS Costo Tamaño Torque Corriente Nominal Potencia Peso Σ + 1 Ponderación
Costo 0 0,5 0,5 0,5 0 2,5 0,14
Tamaño 0 0 0 0 1 2 0,11
Torque 0,5 0 1 1 0,5 4 0,22
Corriente Nominal 0,5 0 1 1 0 3,5 0,19
Potencia 0,5 0 1 1 0 3,5 0,19
Peso 0 1 0,5 0 0 2,5 0,14
suma 18 1,00
Criterios Costo Tamaño Torque Corriente Nominal Potencia Peso Σ Prioridad
Motor paso a paso A63K-G5913 0,14 0,33 1,11 0,39 0,58 0,28 2,83 3
Servo motor HSR-5980SG 0,28 0,56 0,44 0,78 0,19 0,69 2,94 2
motor electrico de plumas 0,56 0,33 1,11 0,58 0,97 0,56 4,11 1
64
CUADRO DE SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE MICROCONTROLADORES
CRITERIOS Costo Tamaño Torque Corriente Nominal Potencia Peso Total Motor paso a paso A63K-G5913 1 3 5 2 3 2 16 Servo motor HSR-5980SG 2 5 2 4 1 5 19
Motor electrico de plumas 4 3 5 3 5 4 24
NOTA: 5 ES OPTIMO 1 ES MENOR
Fuente: Alejandra Guapaz Bone
65
Para el presente proyecto se utilizarán motores DC eléctricos para el
accionamiento de la persiana y ventana ya que son fáciles de conseguir,
robustos, económicos y de fácil utilización a través de puentes H. Para evitar
problemas con la fuerza de los motores y con el cálculo de torques se optó por
utilizar motores con caja reductora ya diseñados específicamente para
aplicaciones automotrices (plumas de un automóvil) como se muestra en la
figura 3.5.
Figura 3.5.: Motor eléctrico DC de plumas de automóvil usados para apertura y cierre de ventana y persiana. Fuente: Alejandra Guapaz Bone.
Las características de los motores usados se presentan a continuación:
Energía Nominal: 50W
Voltaje: 12VDC
Torque nominal: 6Nm
Torque de parada: 20Nm
Velocidad: 50 RPM
66
Corriente: 0.5 A
Ruido: 50 dB
Peso: 1.3 Kg
Calefactor: Un calefactor eléctrico es un dispositivo que produce energía
calorífica a partir de la eléctrica. El tipo más difundido es el calefactor eléctrico
"resistivo", donde la generación del calor se debe al Efecto Joule.(Surelin,
2012)
Los calefactores resistivos generan calor proporcionalmente al cuadrado de
la corriente eléctrica que fluye a través de ellos. Esta relación es conocida
como Ley de Joule.
Los materiales conductores (metales y aleaciones) no son "conductores
perfectos", sino que tienen una resistividad eléctrica al paso de la corriente
eléctrica. La energía que se pierde en la conducción se disipa en forma de
calor. La resistividad es una desventaja cuando se requiere transportar energía
eléctrica, pero es deseable cuando se busca generar calor.
Ventilador: Un ventilador es una máquina de fluido concebida para producir
una corriente de aire. Los ventiladores más antiguos eran manuales, como
el pankah. El modelo más común actualmente es eléctrico y consiste en un
rodete con aspas que giran produciendo una diferencia de presiones. Entre sus
aplicaciones, destacan las de hacer circular y renovar el aire en un lugar
cerrado para proporcionar oxígeno suficiente a los ocupantes y eliminar olores,
principalmente en lugares cerrados; así como la de disminuir la resistencia de
transmisión de calor por convección.
3.3.1.2. Comunicaciones
Módulo conversor serial TTL a mini USB: Este dispositivo es usado para
realizar la conversión de los niveles lógicos 0-5V de transmisión serial que
proporciona el microcontrolador a niveles lógicos para transmisión por cable
67
mini USB. Este tipo de módulos genera un puerto serial virtual de manera que
los datos que a través de éste se envían pueden ser analizados como si se
tratase de un conector DB9 para comunicaciones seriales.(Stallings, 2000)
El módulo conversor posee las características de hardware mencionadas a
continuación:
Conversión TTL a niveles mini USB usando un integrado CP2102
SILABS
Marca YS.LC
Conexión sencilla al Microcontrolador GND, VDD, TX, RX
Salida mini USB hembra
Indicador de funcionamiento
Tecnología SMD
Transmisión Full Duplex
Alimentación 5VDC I<200mA
3.3.1.3. Alimentación
Para el proyecto se utilizo como fuente de alimentación un trasformador de
laptop con las siguientes características:
Entrada: 100 a 240 Voltios, corriente de 1.8A y frecuencia 50-60Hz
Salida: 19Vdc y 6.3A
11OVAC (calefactor, ventilador, iluminación, entrada de timers).
68
Figura 3.6 Fuente de alimentación Fuente:(Toshiba, 2013)
3.3.1.4. Esquema general de Hardware
El Esquema general de desarrollo del sistema será implementado al 100% por
el autor del presente documento incluyendo tarjetas, tendido de cable,
administración de software y demás parámetros para que el sistema funcione
correctamente haciendo uso de los elementos mencionadas previamente, para
lo cual se ha diseñado un esquema general.
En la figura 3.7 se detalla el esquema general con los componentes de
Hardware utilizados par el desarrollo del proyecto, en la figura 3.8 se detalla el
diseño unifilar de la tarjeta electrónica del sistema.
69
Figura 3.7.: Componentes de Hardware del Sistema Fuente: Alejandra Guapaz Bone, Proteus7 ARES Profesional, Imágenes Google
110 VAC
MOTOR VENTANA
MOTOR PERSIANA
ILUMINACIÓN
70
Figura 3.8.: Diseño circuital de la tarjeta electrónica del Sistema. Fuente: Alejandra Guapaz Bone, Proteus7 ARES Profesional
71
3.3.2. Sistema Informático / Diseño de Software
Para el desarrollo del sistema domótico se usó dos tipos de Software, los
cuales se encargan de los diferentes procesos integrados:
LabVIEW para el control e integración general de las variables,
adquisición de datos y generación de alarmas en el Sistema.
BASCOM AVR para generar las órdenes de la tarjeta de Adquisición de
Datos, receptar y enviar las señales de los sensores y hacia los
actuadores en el controlador principal.
3.3.2.1. LabVIEW
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) es un
software dedicado de desarrollo para sistemas de control, hardware y diseño.
El lenguaje que se usa para el desarrollo de algoritmos se llama lenguaje G
(Gráfico).
A continuación se listan sus características principales(Instruments, 2013):
Facilidad de uso.
Interfaces de comunicaciones.
Capacidad de interactuar con otros lenguajes y aplicaciones.
Herramientas para DSP Procesamiento digital de señales.
Adquisición y tratamiento de imágenes.
Tiempo Real.
Sincronización con dispositivos externos.
El software LabVIEW posee dos partes para el desarrollo de un programa o
algoritmo al cual se lo conoce como Instrumento Virtual VI como se muesta en
la figura 3.10:
Panel Frontal: Esta herramienta es la que posibilita la interfaz con el
usuario, permite distribuir los controles e indicadores dentro del
72
programa y los cuales permitirán una vez enlazados en el diagrama de
bloques manipular y visualizar las variables de control. Los controles e
indicadores en esta sección del programa se presentan tal y como el
usuario las verá es decir a manera de cuadros y gráficos sencillos que
representan claramente elementos como por ejemplo luces indicadoras,
botones, tuberías, cuadros de texto, entre otros.
Diagrama de Bloques: Esta herramienta permite al usuario programar de
una forma gráfica el algoritmo que admitirá el control del proceso a
través de la interconexión de los controles e indicadores seleccionados
en el panel frontal y representado a manera de bloques.
Figura 3.10.: A la izquierda se presenta el Panel Frontal y a la derecha el Diagrama de bloques del software LabVIEW. Fuente: LabVIEW 2010.
El programa desarrollado para este apartado se muestra en su totalidad en el
Anexo 3 de manera secuencial ya que el programa trabaja a base de
diagramas de bloque y a continuación se detalla los puntos base que dan
funcionalidad al controlador principal y por ende al sistema.
Lectura y Escritura Serial: Para la lectura y escritura de datos utilizando el
pórtico serial se usaron los bloques de comunicación VISA dentro del software
73
LabVIEW. Los patrones de configuración de esta herramienta se listan a
continuación y en orden secuencial y se muestran en la figura 3.11.
Definición visa.
Declaración visa
Apertura visa
Características de comunicación
Bits de datos
Paridad
Bits de parada
Velocidad de comunicación
Tiempo de lectura entre datos
Visa de lectura R o escritura W
Bloques indicadores abc (indicador string) y 123 (indicador numérico)
Cierre VISA o cierre del puerto serial.
Figura 3.11.: Esquema de bloques correspondiente a la lectura serial programada en el software LabVIEW. Fuente: LabVIEW 2010.
Análisis de datos: Para el análisis de datos se utiliza estructuras llamadas
Structure Case, las cuales permiten según el dato recibido por el pórtico serial
74
ejecutar procesos subsiguientes y fijar las variables encargadas de mostrar el
estado de los sensores y actuadores del sistema. Los patrones de
configuración de esta herramienta se listan a continuación y en orden
secuencial.
Definición de Structure Case
Declaración de casos
Declaración de variables
Fijar estados
3.3.2.2. BASCOM AVR
La herramienta BASCOMAVR es usada para desarrollar programación de alto
nivel enfocada a microcontroladores AVR, posee un sub programa
ensamblador y un compilador los cuales transforman el lenguaje Basic en el
que se desarrolla el código a lenguaje de máquina para poder grabar el
microcontrolador haciendo uso de un hardware de programación conocido
como PROGISP.
PROGISP es un hardware creado para cargar eléctricamente un algoritmo
codificado en lenguaje de máquina a un microcontrolador.
Figura 3.12.: Logotipo del software BASCOMAVR. Fuente: BASCOMAVR, Versión 1.11.9.8.
75
El código desarrollado específicamente para el presente proyecto está basado
en la adquisición de datos. Este proporciona funcionalidad a la tarjeta de
hardware diseñada para este propósito y se muestra a continuación:
$regfile = "m164pdef.dat" $crystal = 8000000 $baud = 19200 'VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN 19200 bps $hwstack = 32 $swstack = 10 $framesize = 40 Ddrc.3 = 1 Portc.3 = 0 D0 Alias Portc.3 Ddrc.2 = 1 Portc.2 = 0 D1 Alias Portc.2 Ddrc.1 = 1 Portc.1 = 0 D2 Alias Portc.1 Ddrc.0 = 1 Portc.0 = 0 D3 Alias Portc.0 Dim A As String * 10 'CARACTER A RECIBIR On Urxc Subserial 'ACTIVAR LA SUBRUTINA DE INTERRUPCION
76
Enable Interrupts 'ACTIVAR TODAS LAS INTERRUPCIONES Enable Urxc 'ACTIVAR LA INTERRUPCIÓN SERIAL Config Kbd = Portb Dim B As Byte Dim B1 As Byte Dim B2 As Byte Dim B3 As Byte Dim B4 As Byte Dim I As Byte '--------------------------------------- Dim Ad As Word Dim T As Single Dim T1 As Byte Dim Temp As String * 10 Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Internal_1.1 Const Kt = 450 / 1023 Print "UTE" Waitms 100 Start Adc '--------------------------------------- Do B = Getkbd() If B = 12 Then Wait 1
77
Gosub Cerradura End If Ad = Getadc(0) T = Ad * Kt T1 = Abs(t) If T1 >= 10 And T1 <= 14 Then Print "A" Waitms 100 End If If T1 = 15 Then Print "B" Waitms 100 End If If T1 = 16 Then Print "C" Waitms 100 End If If T1 = 17 Then Print "D" Waitms 100 End If If T1 = 18 Then Print "E" Waitms 100
78
End If If T1 = 19 Then Print "F" Waitms 100 End If If T1 = 20 Then Print "G" Waitms 100 End If If T1 = 21 Then Print "H" Waitms 100 End If If T1 = 22 Then Print "I" Waitms 100 End If If T1 = 23 Then Print "J" Waitms 100 End If If T1 = 24 Then Print "K" Waitms 100
79
End If If T1 = 25 Then Print "L" Waitms 100 End If If T1 = 26 Then Print "M" Waitms 100 End If If T1 = 27 Then Print "N" Waitms 100 End If If T1 = 28 Then Print "O" Waitms 100 End If If T1 = 29 Then Print "P" Waitms 100 End If If T1 >= 30 Then Print "Q"
80
Waitms 100 End If 'Temp = Str(t1) 'Temp = Fusing(t , "#.") 'Print "ADC = " ; Ad 'Print "Temperatura = " ; Temp ; " (C)" 'Print Temp 'Wait 1 Loop End Cerradura: For I = 0 To 100 B1 = Getkbd() If B1 = 13 Then For I = 0 To 100 B2 = Getkbd() If B2 = 8 Then For I = 0 To 100 B3 = Getkbd() If B3 = 9 Then For I = 0 To 100 B4 = Getkbd() If B4 = 8 Then Set D0 Reset D1
81
Set D2 Reset D3 'CERRADURA ELÉCTRICA Wait 2 Reset D0 Set D1 Set D2 Set D3 End If Waitms 100 Next End If Waitms 100 Next End If Waitms 100 Next End If Waitms 100 Next Return Subserial: 'INTERRUPCION SERIAL 'Input A A = Inkey() 'SE ESPERA RECIBIR UN CARÁCTER
82
Select Case A Case "1" : Reset D0 Set D1 Set D2 Set D3 'PARO Case "2" : Set D0 Reset D1 Set D2 Set D3 'MOTOR PERSIANA IZQUIERDA Wait 10 Reset D0 Set D1 Set D2 Set D3 Case "3" : Reset D0 Reset D1 Set D2 Set D3 'TIMER 3 FOCOS 'Case "5" : 'Reset D0 'Set D1
83
'Reset D2 'Set D3 'Case "6" : 'Set D0 'Reset D1 'Reset D2 'Set D3 Case "7" : Reset D0 Reset D1 Reset D2 Set D3 'MOTOR VENTANA IZQUIERDA Case "9" : Reset D0 Set D1 Set D2 Reset D3 'CALEFACTOR Case "A" : Set D0 Reset D1 Set D2 Reset D3 'CERRADURA Wait 2 Reset D0
84
Set D1 Set D2 Set D3 Case "B" : Reset D0 Reset D1 Set D2 Reset D3 'MOTOR VENTANA DERECHA Case "C" : Set D0 Set D1 Reset D2 Reset D3 'MOTOR PERSIANA DERECHA Wait 10 Reset D0 Set D1 Set D2 Set D3 'Case "D" : 'Reset D0 'Set D1 'Reset D2 'Reset D3 Case "E" :
85
Set D0 Reset D1 Reset D2 Reset D3 'VENTILADOR End Select Return End
La explicación del algoritmo implementado se resume a continuación en el
diagrama de flujo mostrado en la figura 3.13.
86
Figura 3.13.: Diagrama de flujo del software implementado Fuente: Alejandra Guapaz Bone
87
Declaración de parámetros del microcontrolador como el ID o dispositivo
a usar, la configuración de los puertos como entrada / salida (I/O) y la
velocidad de trabajo del microcontrolador y transmisión serial del mismo
(Hz, bps). El comando para definir el ID del micro es $regfile, para la
frecuencia del oscilador es $crystal, para declarar puertos DDR, PIN /
PORT = input / output e INKEY.
Habilitación (EN) de interrupciones (INT) del microcontrolador tanto
seriales como digitales. Este proceso permite que al producirse un
evento externo al microcontrolador, es decir una activación de un sensor
o la recepción de un dato desde el controlador principal vía puerto serial,
éste responderá al evento con prioridad principal indistintamente del
proceso que al momento esté realizando. Los comandos para habilitar y
encender las interrupciones son On URX Subserial y Enable Urxc para
el puerto serial y Enable Interrupts para las entradas digitales.
Lectura del estado de los sensores en Voltaje y corriente. Digital /
Análogo (V, mA).
Conversión ADC y asignación de bits según el estado de los sensores.
Asignación de valor a constantes (CNTS) para su fácil lectura en el
controlador principal.
Asignación de envío y recepción de datos por pórtico serial (CNTS POR
TX, INT POR RX) las constantes se asignan a la transmisión y
proporcionan el estado de los sensores y las interrupciones se asignan a
la recepción y definen el estado de las salidas del microcontrolador
encargadas de la activación de los actuadores.
Apertura del puerto Serial.
Comprobación de existencia de interrupciones a través del pórtico serial
o digita del microcontrolador. Si existe interrupción activa Out Port o
puerto de salida para el actuador correspondiente a la señal, si no existe
interrupción envía dato de estado de sensores o mandos del sistema
por el pórtico serial de transmisión y el proceso regresa al punto de
partida.
88
3.3.3. Sistema Mecánico / Diseño Mecánico
Dentro del desarrollo del presente proyecto se diseñaron de forma manual dos
mecanismos listados a continuación y los cuales tienen base en la
experimentación e ingenio de la persona que desarrolla el proyecto.
Mecanismo de apertura y cierre de ventana corrediza.
Mecanismo de apertura y cierre de persiana.
Para la realización de dichos mecanismos como primer paso se investigó la
existencia de los mismos en el mercado local, encontrando costos altos y
sistemas no adecuados a las necesidades puntuales del domicilio en donde se
instalará el sistema domótico; como segundo paso se modeló esquemas
básicos para los mecanismos a través de la realización de pruebas de campo
las cuales arrojaron los parámetros a tomar en cuenta para el diseño.
Las figura 3.14 y 3.15 representa un bosquejo de cada uno de los mecanismos
los cuales fueron implementados una vez registrados los parámetros de
construcción la cual por cuestión de costos se realizó de forma casera.
89
Figura 3.14.: Mecanismo de apertura y cierre de ventana. Fuente: .CAD 2010, Alejandra Guapaz Bone.
MOTOR RESOTE
TUBO PVC
1.5 PULGADAS
TOPE
ACOPLE A
MARCO
HILO DE
ACERO
1.5 m
90
Figura 3.15.: Mecanismo de apertura y cierre de persiana. Fuente:.CAD 2010, Alejandra Guapaz Bone.
MOTOR
EJE ACOPLE AL EJE RODAMIENTO Y SOPORTE EJE
PERSIANA ENRROLLABLE
4.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN
92
4.1. Análisis de importancia e impactos
El sistema domótico a su finalización proporciona gran aplicabilidad a procesos
de automatización en residencias por lo que constituye una herramienta
importante dentro de su campo de aplicación ya que al realizar las pruebas de
operatividad respectivas se determinó que es posible utilizar elementos
comunes dentro de las ramas de la electrónica, la mecánica y la informática
para desarrollar sistemas Domóticos Integrados sin usar controladores
especializados.
La importancia del sistema una vez terminado radica principalmente en los
siguientes puntos:
Capacidad de control automático sin perder el control manual propio de
los equipos automatizados.
Recopilación de muestras y respuesta confiable ante señales de
sensores y mandos manuales.
Vigilancia en tiempo real a través de paneles remotos usando como
medio el internet.
Efectivización de procesos mecánicos y manuales.
Armado y desarmado a través de paneles remotos.
Acoplamiento a las necesidades del entorno de instalación.
Control digital de Climatización.
Los impactos que el proyecto tendrá una vez analizado su funcionamiento y
montaje se detallan en la tabla 4.1:
93
Tabla 4.1.: Tabla de impactos
IMPACTO TECNOLÓGICO ECONÓMICO SOCIAL ÉTICO ECOLÓGICO
Bajo consumo eléctrico
X X X
Mano de obra local X X X
Adquisición de datos sin alteración física del entorno
X X X
Innovación de procesos
X X
Costos adecuados de fabricación y mantenimiento
X X
Colaboración con procesos humanos
X X
Confort X X X
Fuente: Alejandra Guapaz Bone
4.1. Análisis Financiero
4.1.1. Que financiar.
COMPRAS / COSTOS
ITEM CANTIDAD PRECIO UNITARIO
PRECIO TOTAL IVA
SUMINISTROS DE OFICINA - - 200 24
COMPUTADORA 1 300 300 36
HERRAMIENTAS (SOTWARE Y HARDWARE) - - 1000 120
MANO DE OBRA - - 800 0
2300 180
TOTAL
$
2480
94
GASTOS
ITEM PRECIO 6 MESES 8 MESES GASTOS DE
LEGALIZACIÓN 1000 - - SERVICIOS BASICOS
MENSUALES 20 (MENSUAL) 120 -
TOTAL $ 1120
CANTIDAD TOTAL QUE SE
NECESITA: $ 3600
Tabla 4.2.: Tablas de Compras / Costos y Gastos Fuente: Alejandra Guapaz Bone
4.1.2. Como financiar.
Tabla 4.3.: Tabla de Financiamiento
CAPITAL PROPIO 3600
$ 3600
Fuente: Alejandra Guapaz Bone
4.1.3. Rentabilidad.
El sistema a su finalización tendrá un costo de $2500 dólares incluyendo
materiales, diseño e información teórica y descontando los valores
correspondientes a la legalización del proyecto.
Los datos para el cálculo del VAN, TIR y PIR proyectados a 1.5 años se listan a
continuación:
95
Desembolso inicial:
= [(Costos Sistema 1) + (Gastos Sistema 1)] + [(Costos Sistema 2 –
computadora) + (Gastos Sistema 2 – Gastos de Legalización)] + [(Costos
Sistema 3 – computadora) + (Gastos Sistema 3 – Gastos de Legalización)]
= 3600 + [(2480 – 300 – 36) + (1120 – 1000)] + [(2480 – 300 – 36) + (1120 –
1000)]
= $ 8128 para 3 sistemas
Flujo de caja 1er semestre por venta de primer sistema: $ 2500
Flujo de caja 2do semestre: 10% superior al del periodo anterior
Flujo de caja 3cer semestre: 10% superior al del periodo anterior
Periodo de fabricación por sistema: 6 meses
Duración Temporal: 1.5 años
Valor residual: $ 1500 (Estimado en base a ahorro de materiales, tiempo
y mano de obra)
Taza de actualización porcentual: 6%
Tabla 4.4.: Tabla de Desembolsos
TABLA DE DESEMBOLSOS POR SEMESTRE
0 1 2 3
-8128 2500 2500+(2500*10%) =
2750
2750+(2750*10%) + 1500 = 4525
Fuente: Alejandra Guapaz Bone
96
Figura 4.1.: Calculo del VAN y TIR Fuente: Alejandra Guapaz Bone
PIR: El periodo de recuperación de la inversión es de 1.5 años
B/C = (2500+2750+4525)/8128 = $1,203
En conclusión el proyecto es rentable en cuanto a que por cada dólar de
inversión se gana 0,203 centavos, sin contar con los beneficios a nivel social y
de seguridad que vienen añadidos al sistema.
97
4.2. Resultados Teórico-Prácticos
Con base en el proceso Metodológico se obtuvo los resultados generales
mostrados en secuencia en el siguiente diagrama de flujo y explicados a
continuación:
El primer paso del sistema desarrollado es el proceso de transducción
de las variables físicas V.F. tomadas del entorno por los sensores a variables
eléctricas V.E. adquiridas por el Sistema como se muestra en la figura 4.2.
Figura 4.2 Activación de unos de los actuadores Fuente: Alejandra Guapaz Bone
Dichas V.E. son tomadas por la Tarjeta de Adquisición de Datos sector
Sensores T.A.D.S.
Figura 4.3 Tarjeta de Adquisición de Datos Fuente: Alejandra Guapaz Bone
98
En el caso de detectar la activación de alguna de las variables medidas
como Temperatura o la activación de un mando manual, el sistema a través de
la T.A.D.S. envía vía pórtico serial TX hacia el controlador principal PC los
DATOS correspondientes a la activación; en caso de que no se produzca
ninguna activación el Sistema a través de la Tarjeta de Adquisición de Datos
vía pórtico seria RX e interrupciones espera recibir ordenes desde el
controlador principal PC o desde los sensores. Al recibir una orden manual
desde el procesador principal la Tarjeta de Adquisición de Datos activa los
actuadores correspondientes en la parte de Actuadores de la misma T.A.D.A,
en la figura 4.4 se muestra la activación de un variable.
Figura 4.4 Activación de la variable luz por medio de la PC Fuente: Alejandra Guapaz Bone
99
El controlador principal procesa los datos recibidos vía pórtico serial
desde la T.A.D.S. y de acuerdo a la tabla de estados mostrada en el Anexo 4
envía órdenes automáticas desde el procesador principal a la Tarjeta de
Adquisición de Datos la cual activa los actuadores correspondientes en la parte
de actuadores de la misma T.A.D.A como se indica en la figura 4.5.
Figura 4.5 Panel de control de todos los actuadores Fuente: Alejandra Guapaz Bone
Para finalizar el Sistema se realimenta en todos sus sectores a través
de bucles de repetición infinita: DO LOOP para la Tarjeta de Adquisición de
Datos y WHILE LOOP para el controlador principal.
En la figura 4.6 se muestra el diagrama de flujo del sistema.
100
Figura 4.6.: Diagrama de flujo del proceso del Sistema desarrollado Fuente: Alejandra Guapaz Bone
101
El diagrama previo complementado con el manual mostrado en el Anexo 5
constituye el cumplimiento de los objetivos planteados.
En el apartado Anexo 9 se observan las fotografías del Sistema instalado en el
lugar determinado.
5.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
103
5.1 CONCLUSIONES
Se desarrolló un Sistema Domótico que integra varios procesos de
automatización residencial tales como apertura de persiana y ventana,
control de luces, climatización, y control de acceso mediante teclado
numérico.
Se adecuó de manera óptima los sensores y actuadores dentro del
sistema para así conseguir un control adecuado sobre ellos.
Se implementó tareas de control haciendo uso de microcontroladores,
software especializado en automatización y herramientas básicas
provenientes de la Mecatrónica.
Se cumplieron las metas propuestas en cuanto a las capacidades del
sistema las cuales son apertura y cierre de ventana y persiana de
manera automática mediante una aplicación la cual puede ser
programada para abrir y cerrar a una determinada fecha y hora, de la
misma manera tenemos el funcionamiento de las luces además el
sistema es capaz de ser controlado mediante una pc en el lugar donde
se encuentra instalado y vía remota utilizando internet.
Se diseño un mecanismo sencillo para la apertura y cierre de la ventana
el cual consta de un motor dc donde se encuentra sujeto un carrete , el
cual envuelve un cable de acero sujeto a la ventana, entre la ventana y
el motor se encuentra un resorte que se comprime cuando se abre la
ventana acumulando energía para conjuntamente con el motor cerrar la
ventana.
Se hizo uso de las tecnologías disponibles en el mercado nacional para
efectivizar los procesos y dar al Sistema Domótico la capacidad de
conexión remota.
104
5.2 RECOMENDACIONES
Para futuras investigaciones relacionadas con el uso de sistemas
mecánicos se recomienda tomar en cuenta un rubro separado para el
diseño profesional de los mecanismos para evitar posibles
complicaciones por robustez y materiales de construcción.
Para disminuir el tendido eléctrico durante la instalación en
investigaciones similares se recomienda el uso de protocolos que
permitan interconectar los sensores y actuadores a través de medios
mas robustos como por ejemplo las líneas eléctricas o de forma
inalámbrica considerando una adecuada frecuencia de trabajo para
anular interferencias.
Debido a las limitaciones propias del software utilizado al no tener una
licencia, se recomienda para este tipo de desarrollos el uso de software
libre y bases de datos que proporcionen al sistema de aplicabilidad de
herramientas sin restricciones y provean de la información de su
desenvolvimiento.
Para futuras investigaciones se recomienda la compra una ip publica
para la publicación de la pagina web ya que con el servidor del software
el usuario necesita tener instalado el software en la maquina cliente.
6.- BIBLIOGRAFÍA
106
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7.- ANEXOS
109
ANEXO I: DISTRIBUCIÓN DE PINES ATMEGA 164P
110
ANEXO II: TIMERS
111
ANEXO III: PROGRAMA LABVIEW
112
1 1 3
ANEXO IV: TABLAS DE ESTADO
TABLA DE ESTADOS DE LAS ENTRADAS DEL SISTEMA
# CASO SERIAL ELEMENTO PORTB ADC
ESTADO / MENSAJE
1 0 1 NULL NULL NULL
2 1 2 NULL NULL NULL
3 2 3 NULL NULL NULL
4 3 A NULL NULL NULL
5 4 4 NULL NULL NULL
6 5 5 NULL NULL NULL
7 6 6 NULL NULL NULL
8 7 B NULL NULL NULL
9 8 7 2,4 NULL SEGUNDO Y CUARTO DÍGITO CLAVE APERTURA CERRADURA ELÉCTRICA
10 9 8 3 NULL TERCER DÍGITO CLAVE APERTURA CERRADURA ELÉCTRICA
11 10 9 NULL NULL NULL
12 11 C NULL NULL NULL
13 12 * ENABLE NULL HABILITA TECLADO
14 13 0 1 NULL PRIMER DÍGITO CLAVE APERTURA CERRADURA ELÉCTRICA
15 14 # NULL NULL NULL
16 15 D NULL NULL NULL
17 0-255 0-250 °C NULL 0-30 °C TEMPERATURA ENTRE 0-30 °C
1 1 4
TABLA DE ESTADOS DE LAS SALIDAS DEL SISTEMA
# CASO SERIAL ELEMENTO
PINC.3 PINC.2 PINC.1 PINC.0 ESTADO / MENSAJE
D0 D1 D2 D3
1 0 0 1 1 1 1 NULL
2 1 1 0 1 1 1 PARO
3 2 2 1 0 1 1 MOTOR PERSIANA IZQUIERDA
4 3 3 0 0 1 1 TIMER 3 (FOCOS)
5 4 4 1 1 0 1 NULL
6 5 5 0 1 0 1 NULL
7 6 6 1 0 0 1 NULL
8 7 7 0 0 0 1 MOTOR VENTANA IZQUERDA
9 8 8 1 1 1 0 NULL
10 9 9 0 1 1 0 CALEFACTOR
11 A A 1 0 1 0 CERRADURA PC
12 B B 0 0 1 0 MOTOR VENTANA DERECHA
13 C C 1 1 0 0 MOTOR PERSIANA DERECHA
14 D D 0 1 0 0 NULL
15 E E 1 0 0 0 VENTILADOR
16 F F 0 0 0 0 NULL
1 1 5
OUT ON OFF CASO PRUEBA SENSOR
PORTC 1010 O111 IF uC CERRADURA
PORTC O111 O111 1 PARO
PORTC 1011 O111 2
MOTOR PERSIANA IZQUIERDA
PORTC 11 O111 3 TIMER 3 (FOCOS)
PORTC OOO1 O111 7 MOTOR VENTANA IZQUERDA
PORTC OO10 O111 9 CALEFACTOR
PORTC 1010 O111 A CERRADURA PC
PORTC OO10 O111 B MOTOR VENTANA DERECHA
PORTC 1100 O111 C MOTOR PERSIANA DERECHA
PORTC 1000 O111 E VENTILADOR
116
ANEXO V: MANUAL SISTEMA
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS:
Microcontrolador ATMEL SMD para adquisición de datos
Software de control robusto desarrollado en LabVIEW
Comunicación serial – mini USB (Tarjeta de Adquisición - PC)
Comunicación RF (Tarjeta de Adquisición - Actuadores)
Pre-set
Automatización de encendido de luces
Automatización de apertura de ventana y persiana
Control de apertura de puerta de ingreso con clave
Control de temperatura y generación de microclima
Control manual
Panel remoto
DATOS TÉCNICOS:
Voltaje de control: 5VDC
Voltaje potencia: 110VAC (Calefactor, Ventilador, Cerradura eléctrica,
Iluminación), 12VDC (Motores)
Hysteresis Timers: 2 sec/day (25°C)
Visualización: Panel local y remoto
Peso aprox.:
Entradas Digitales: 8
Entradas Análogas: 1
Contactos de salida relé: 15
ESQUEMA:
110
VAC
1
2
3
4
0
5
6
8 9
11 12
MOTOR VENTANA
MOTOR PERSIANA
ILUMINACIÓN
7
10
117
INSTRUCCIÓN DE OPERACIÓN:
PASO ACCIÓN
1 Interconectar elementos
2 Revisar la asignación de puertos COM
3 Correr aplicativo desarrollado en LabVIEW
ÍTEM ELEMENTO
0 Tarjeta de Adquisición de datos y potencia con microcontrolador Atmel SMD
1 PC con software de control desarrollado en LabVIEW
2 Módulo conversor TTL serial – USB
3 Teclado matricial 4*4
4 Emisor RF
5 Sensor de temperatura
6 Módulo conversor TTL a RS232 - DB9
7 Fuente ATX
8 Sensor de temperatura LM35DZ
9 Cerradura Eléctrica
10 Iluminación, motor para persiana y motor para ventana corrediza
11 Calefactor
12 Ventilador
118
ANEXO VI DIAGRAMA DEL SENSOR DE TEMPERATURA
119
ANEXO VII: CONVERSOR DE SERIAL A USB
120
ANEXO VIII MOTOR ELECTRICO DC DE PLUMAS DE AUTO
121
ANEXO IX: FOTOS SISTEMA
TECLADO DE LA PUERTA
PUERTA CON CHAPA ELECTRICA
122
PANEL DE CONTROL DEL SISTEMA
TARJETA DE RADIO FRECUENCIA
123
TARJETA DE ADQUISICION DE DATOS
MECANISMO DE APERTURA Y CIERRE DE VENTANA Y PERSIANA
