I|NSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR EN INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA “IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE DOMÓTICA PARA EL CONTROL DE TEMPERATURA E ILUMINACIÓN DE UN HOGAR” PROYECTO TERMINAL QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA PRESENTAN López Franco Juan Pablo Morales Martínez Jaime Eduardo ASESORES Ing. Arturo Pérez Martínez Ing. Hugo Jorge Macías Palacios MÉXICO, C.D.M.X. FEBRERO 2017
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I|NSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR EN INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL ZACATENCO
INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
“IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE DOMÓTICA PARA EL
CONTROL DE TEMPERATURA E ILUMINACIÓN DE UN HOGAR”
PROYECTO TERMINAL
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA
PRESENTAN
López Franco Juan Pablo
Morales Martínez Jaime Eduardo
ASESORES
Ing. Arturo Pérez Martínez
Ing. Hugo Jorge Macías Palacios
MÉXICO, C.D.M.X. FEBRERO 2017
III
Agradecimientos
Al Instituto Politécnico Nacional, por abrirme las puertas, darme la oportunidad de
aprender para ejercer una profesión y dejarme ser Politécnico.
A la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Zacatenco, por la
preparación académica y humana que me brindaron estos 5 años, a las experiencias y
conocimientos adquiridos dentro de sus edificios, por la oportunidad de conocer muchas
personas las cuales llevare por siempre en mi memoria.
A mis profesores M. en C. Daniel Barajas, M. en C. Juan Pablo Posadas Duran,
Licenciado en Física y Matemáticas Abraham Gómez Avalos, Ing. Lucas Ramírez
Chávez, al Profesor Sariñana, M. en C. Ugalde Miranda (†), Ing. Alejandro Lugo Silva,
Rene Cruz Santiago, M. en C. Juan Martin Raya Baena, Ing. Hugo Jorge Macías Palacios,
M. en C. Juan Manuel Cobilt Catana, Dr. Julio Pérez Delgado, Ing. Juanita Nancy
Mondragón Medina, M. en C. Ernesto Rojas Lima, Dr. Víctor Flores Gracia por sus
lecciones, trabajo duro, por su paciencia en mi aprendizaje y al Ing. Arturo Pérez Martínez
por guiarnos en la realización de este proyecto; a todo el personal que forma parte del
programa académico Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica.
A mis padres Pablo López Paramo y Juana Franco Ramírez por brindarme todo lo que
necesite para concluir esta etapa de mi vida, por sus enseñanzas, dedicación y esfuerzo
en inculcarme la educación y valores que me hacen ser la persona que soy hoy en día,
sin ustedes no hubiera podido llegar hasta donde estoy.
A mi hermana María Guadalupe López Franco por tu apoyo incondicional por la ayuda y
consejos que me brindaste a lo largo de estos años.
A mis amigos Rubén Mejía, Guaso, Marco, Ricardo, Juan, Valgañon, Silverio, Josué,
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Tabla 1.3.1. Componentes Arduino UNO (Continuación)
SRAM 2 KB (ATmega328)
EEPROM 1 KB (ATmega328)
Velocidad de reloj 16 MHz
1.3.2 Descripción de los componentes de la Tarjeta Arduino UNO
Figura 1.3.2. Elementos de la Placa Arduino UNO
En estos pines se conectarían las conexiones de los sensores y actuadores, desde los
cuales se leería la información del sensor, activador y/o actuador.5
Referencia para Pines Analógicos (AREF)
Tensión de referencia para entradas analógicas. Se utiliza con la función
analogReference().
5 Véase referencia 5.
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Pines de Tierra
Masa der circuito para Pines, la tensión de referencia 0V.
Pines Digitales de Entrada y Salida
Cuenta con 14 pines digitales que pueden ser utilizados como entrada o salida con las
funciones pinMode(), digitalWrite(), y digitalRead(). Los cuales operan a 5volts. Cada
pin proporciona o recibe como máximo 40mA y contiene una resistencia pull-up
(desconectada por defecto) de 20 – 50 KΩ.
Contiene Pines con funciones determinadas como son:
Serie: o (Rx) y 1 (Tx). Utilizados para recibir y transmitir datos serie.
o Están directamente conectados a los pines series del microcontrolador.
o Utilizando estos pines podremos conectarnos con otras placas.
Interrupciones externas: 2 y 3. Estos pines pueden ser configurados para activar
interruptores.
PWM: 3, 5, 6, 9, 10 Y 11 proporcionan una salida de 8 bits en modo PWM.
SPI: 10 – 13. Estos pines soportan la librería de comunicación del dispositivo SPI.
LED: 13. Este pin está conectado con un LED de la placa. Cuando se le asigne un
valor HIGH (alto) se encenderá, en cambio sí lo dejamos en LOW (bajo) estará
apagado.
Conector USB
Esta placa utiliza el conector tipo B hembra, con el cual se necesita un cable tipo B macho
tipo A macho que deberá conectarse a un conector tipo A hembra (como el de un
ordenador). La placa puede ser alimentada con la tensión de 5v que proporciona el USB.
Cuando carguemos un programa a la placa desde el software de Arduino se inyectará el
código del ordenador por esta entrada.
Botón Reset
Por medio de este botón podremos reiniciar la ejecución del código del micro controlador.
ICSP (In Circuit Serial Programming)
Es un conector utilizado en los dispositivos PIC para programarlos sin necesidad de tener
que retirar el chip del circuito del que forma parte.
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Microcontrolador ATmega328
Este microcontrolador es el elemento más importante de la placa. Es donde se instalará
y ejecutará el código del programa que se haya diseñado. Ha sido creado por la compañía
Atmel, tiene un voltaje operativo de 5V, aunque Se recomienda como entrada de 7-12V
con un límite de 20V. Contiene 14 pines digitales de entrada y salida, 6 pines analógicos
que están conectados directamente a los pines de la placa Arduino UNO comentados
anteriormente. Dispone de 32KB de memoria flash (de los cuales 512 bytes son utilizados
por el bootloader). En la memoria flash se instalará el programa a ejecutar. El bootloader
será el encargado de preparar el microcontrolador para que pueda ejecutar el programa-
También cuenta con una memoria EEPROM de 1KB que puede ser leída o escrita con la
librería EEPROM.
En la parte de procesamiento dispone de un reloj de 16 MHz y 2 KB de memoria RAM.
Fuente de alimentación Externa
La placa puede ser alimentada por corriente continua suministrada por el conector Jack
de 3.5mm que podrá recibir de entre 7 y 12V.
Pin Reset
Podemos imitar el funcionamiento del botón reset suministrando un valor LOW (0V) para
reiniciar el microcontrolador.
Pin de 3.3V
Desde este puerto es posible suministrar 3.3V a los dispositivos que lo necesiten con una
corriente máxima de 50mA. Es generada gracias al chip FTDI integrado en la placa.
Pin de 5V
Este pin genera una tensión de 5V del regulador de la placa. El regulador es necesario
puesto que puede ser alimentada con distintos voltajes.
Pin de Vin
Es el voltaje que se recibe en la entrada cuando se usa una fuente de alimentación
externa (no toma en cuenta la conexión USB). Se puede proporcionar voltaje a la placa
a través de este pin, o en caso de que esté utilizando una fuente de alimentación externa
toma en cuenta el valor que está siendo suministrado.
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Pines analógicos
Esta placa contiene 6 pines de entrada analógicos. Los elementos que se conecten aquí
suelen tener mayor precisión que los digitales pero su uso requiere de una lógica
levemente mayor.
1.3.3. Justificación de uso de la Tarjeta Arduino UNO
El uso de esta tarjeta será debido a la practicidad en su funcionamiento y por la
oportunidad que brinda al programar los controladores al poder permitir colocar y retirar
después de su programación, su vigencia en el mercado y la oportunidad que brinda en
su programación amigable para todo tipo de personas aun cuando no conozcan el
lenguaje de programación.
1.4 Iluminación de espacios interiores
La apariencia de un espacio puede ser modificada por medio de la luz, sin alterar el
aspecto físico del mismo (como se muestra en la Figura 1.4). La luz encamina la mirada,
maneja la percepción y dirige la atención a los detalles. Mediante la luz se pueden
distribuir e interpretar espacios, para acentuar áreas o lograr conexiones entre el exterior
e interior. La distribución luminosa y el nivel de iluminación tienen una influencia decisiva
en la percepción de la arquitectura.
La iluminación ocupa un rol protagónico en la decoración. El correcto equilibrio entre tipo
y cantidad de luz que recibe un espacio, permite trasformar el modo en que éste se
percibe, haciendo posible realzar o atenuar la decoración e incluso intensificar el valor de
los elementos decorativos (molduras, muebles, textiles, etc.).
Con una buena planificación de la iluminación, elección de materiales (artefactos y
lámparas) y distribución, se puede cambiar el aspecto y la atmósfera de una habitación.
Por el contrario, el mal uso de la iluminación puede echar a perder una buena idea
decorativa. La base de toda iluminación es la luz. La naturaleza nos da un foco de luz
utilizable que es el sol, pero esta luz no es suficiente ya que nuestra vida social se
desarrolla también durante horas en las que, al ponerse el sol, desaparece la luz natural,
siendo necesario valernos de sistemas de luz artificial.
Durante la reforma o decoración de espacios interiores es preciso planificar con detalle
las fuentes de luz tanto natural como artificial. La iluminación artificial será un claro
protagonista a tono con el espacio y los objetos, pero durante el día se debe poder
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aprovechar al máximo, y con la mayor cantidad de recursos posibles, las fuentes de luz
natural de que dispongamos.
Figura 1.4. Separación de zonas funcionales mediante luz.
La determinación de los niveles de iluminación adecuados para una instalación no es un
trabajo sencillo. Hay que tener en cuenta que los valores recomendados para cada tarea
y entorno son fruto de estudios sobre valoraciones subjetivas de los usuarios (comodidad
visual o rendimiento visual). El usuario estándar no existe y por tanto, una misma
instalación puede producir diferentes impresiones a distintas personas. En estas
sensaciones influirán muchos factores como los estéticos, los psicológicos, el nivel de
iluminación.6
1.4.1 Deslumbramiento
El deslumbramiento es una sensación molesta que se produce cuando la luminancia de
un objeto es mucho mayor que la de su entorno (Figura 1.4.1). Es lo que ocurre cuando
miramos directamente una bombilla o cuando vemos el reflejo del sol en el agua.
Existen dos formas de deslumbramiento, el perturbador y el molesto. El primero consiste
en la aparición de un velo luminoso que provoca una visión borrosa, sin nitidez y con poco
contraste, que desaparece al cesar su causa; un ejemplo muy claro lo tenemos cuando
conduciendo de noche se nos cruza un coche con las luces “altas”. El segundo consiste
en una sensación molesta provocada porque la luz que llega a nuestros ojos es
6 Véase referencia 6.
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demasiado intensa produciendo fatiga visual. Esta es la principal causa de
deslumbramiento en interiores.7
Figura 1.4.1. Fatiga visual causada por exceso o ausencia de luz.
1.4.2 Lámparas y luminarias
La elección de las luminarias está condicionada por la lámpara utilizada y el entorno de
trabajo de esta. La forma y tipo de las luminarias oscilará entre las más funcionales donde
lo más importante es dirigir el haz de luz de forma eficiente como pasa en el alumbrado
industrial a las más formales donde lo que prima es la función decorativa como ocurre en
el alumbrado doméstico.
Las luminarias para lámparas incandescentes tienen su ámbito de aplicación básico en
la iluminación doméstica. Por lo tanto, predomina la estética sobre la eficiencia luminosa.
Sólo en aplicaciones comerciales o en luminarias para iluminación suplementaria se
buscará un compromiso entre ambas funciones. Son aparatos que necesitan
apantallamiento pues el filamento de estas lámparas tiene una luminancia muy elevada
y pueden producir deslumbramientos.8
7 Véase referencia 7. 8 Véase referencia 8.
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En segundo lugar, tenemos las luminarias para lámparas fluorescentes. Se utilizan
mucho en oficinas, comercios, centros educativos, almacenes, industrias con techos
bajos, etc. por su economía y eficiencia luminosa.
Por último, tenemos las luminarias para lámparas de descarga a alta presión. Estas se
utilizan principalmente para colgar a gran altura (industrias y grandes naves con techos
altos) o en iluminación de pabellones deportivos, aunque también hay modelos para
pequeñas alturas.
Tabla 1.4.1. Lámparas empleadas en iluminación de interiores existentes en el mercado.
Ámbito de uso Tipos de lámparas más utilizados-
Domestico Incandescente.
Halógenas de baja potencia.
Fluorescentes compactas.
Industrial Alumbrado general: fluorescentes.
Alumbrado localizado: incandescentes y halógenas de baja tensión.
Comercial Incandescentes.
Halógenas.
Fluorescentes.
Grandes superficies con techos altos: mercurio a alta presión y
halogenuros metálicos.
Industrial Todos los tipos.
Luminarias situadas a baja altura (6 m): fluorescentes.
Luminarias situadas a gran altura (>6 m): lámparas de descarga a alta
presión montadas en proyectores.
Alumbrado localizado: incandescentes.
Deportivo Luminarias situadas a baja altura: fluorescentes
Luminarias situadas a gran altura: lámparas de vapor de mercurio a alta
presión, halogenuros metálicos.
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1.4.3 Métodos de alumbrado
Los métodos de alumbrado nos indican cómo se reparte la luz en las zonas iluminadas.
Según el grado de uniformidad deseado, distinguiremos tres casos: alumbrado general,
alumbrado general localizado y alumbrado localizado.9
El alumbrado general proporciona una iluminación uniforme sobre toda el área iluminada.
Es un método de iluminación muy extendido y se usa habitualmente en oficinas, centros
de enseñanza, fábricas, comercios, etc. Se consigue distribuyendo las luminarias de
forma regular por todo el techo del local.
Figura 1.4.2. Alumbrado General.
El alumbrado general localizado proporciona una distribución no uniforme de la luz de
manera que esta se concentra sobre las áreas de trabajo (Figura 1.4.3). El resto del local,
formado principalmente por las zonas de paso se ilumina con una luz más tenue. Se
consiguen así importantes ahorros energéticos puesto que la luz se concentra allá donde
hace falta.
Claro que esto presenta algunos inconvenientes respecto al alumbrado general. En
primer lugar, si la diferencia de luminancias entre las zonas de trabajo y las de paso es
muy grande se puede producir deslumbramiento molesto. El otro inconveniente es qué
9 Véase referencia 9.
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pasa si se cambian de sitio con frecuencia los puestos de trabajo; es evidente que si no
podemos mover las luminarias tendremos un serio problema.
Figura. 1.4.3. Alumbrado general localizado.
Empleamos el alumbrado localizado cuando necesitamos una iluminación suplementaria
cerca de la tarea visual para realizar un trabajo concreto. Un aspecto que hay que cuidar
cuando se emplean este método es que la relación entre las luminancias de la tarea visual
y el fondo no sea muy elevada pues en caso contrario se podría producir
deslumbramiento molesto.
Figura. 1.4.4. Alumbrado localizado.
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1.5 Ventanas y Persianas
El ser humano precisa de luz para poder ver y aire para respirar. Las primeras ventanas,
no eran más que huecos en los muros o fachadas de las viviendas, sin acristalar, a fin de
dejar entrar la luz y el aire en el habitáculo, que podían ser tapadas con madera o haces
de paja.
Hoy en día, las ventanas son parte fundamental del diseño de los edificios y un desafío
para cualquier arquitecto; poder lograr, al mismo tiempo, las mejores condiciones de
habitabilidad de los diferentes recintos y además potenciar las cualidades del sitio.
Este elemento arquitectónico nació naturalmente como una perforación en los muros de
las casas, en la búsqueda del hombre por llevar la mayor cantidad de luz y aire posible
al interior de sus viviendas. Las primeras ventanas no tenían vidrio y sólo eran tapadas
con madera, paja o cualquier elemento disponible que permitiera evitar las condiciones
climáticas excesivas. El vidrio se conoce desde la época de los fenicios (entre los siglos
X y V a.C.), pero fueron los romanos quienes introducen su utilización alrededor del año
60 d.C. 10
a) b)
Figura. 1.5. a) Modelos de las primeras ventanas, b) Modelo de ventana actual.
La necesidad de resguardarnos de las inclemencias del tiempo, de la lluvia, del frío, el
calor y el ruido extremos. Igualmente necesitamos protegernos de elementos extraños,
sean fieras u otras personas que podrían entrar en la vivienda para apoderarse de
10 Véase referencia 10.
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nuestros bienes. Las puertas y ventanas de nuestra casa cumplen pues dos funciones
primordiales:
Brindarnos suficiente luz, manteniendo aun mismo tiempo fuera la lluvia, el frío y
el ruido excesivo.
Debe servir de barrera a cualquier extraño que pudiese penetrar en nuestra
vivienda.
Un buen sistema de cerramiento exterior debe cumplir entonces dos funciones básicas:
brindarnos confort y privacidad. Adicionalmente las ventanas nos ofrecen la posibilidad
de emplearlas como un elemento decorativo de nuestra fachada o habitación dándole
personalidad a nuestra vivienda.
1.5.1 Filtrar la luz natural
La luz puede filtrarse y suavizarse mediante árboles u otros mecanismos, como celosías
o pantallas. Sin embargo, el acristalamiento traslúcido puede agudizar el
deslumbramiento directo. Aunque difunden la luz solar directa, a menudo se convierte en
fuentes de luz excesivamente brillantes. Idealmente, en verano sólo debería admitirse
una pequeña cantidad de luz solar a través de las ventanas, y una cantidad máxima en
inverno. Y en cualquier época del año, la luz debería poder difundirse por reflexión en el
techo. Si esto no es posible, deben colocarse elementos de protección previos a la
entrada de luz.
Los aleros sobre ventanas orientadas al sur pueden ser un elemento efectivo de control
estacional de la luz. Estos elementos también pueden eliminar la incidencia de luz solar
directa, reducir el deslumbramiento e incluso suavizar el contraste entre niveles de
claridad a lo largo del espacio. Si se utiliza un alero amplio, macizo y horizontal, su cara
inferior debería pintarse de blanco para reflejar la luz del suelo. Un alero de tonos claros
reduciría además el contraste de claridad con el cielo. Las lamas verticales u horizontales
pintadas de color claro son un elemento muy útil porque bloquean la luz solar directa y
reflejan la indirecta. Un panel vertical situado delante de la ventana puede bloquear la luz
solar directa y reflejar la luz difusa del cielo hacia la ventana.11
11 Véase referencia 11.
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Figura 1.5.1. El efecto de un alero según la inclinación de radiación solar.
1.5.2 Los elementos de oscurecimiento.
Un ambiente dinámico necesita respuestas dinámicas. La variación de la iluminación
natural es especialmente pronunciada en las orientaciones este y oeste, que reciben luz
difusa durante la mitad del día y luz solar directa durante la otra mitad. Parasoles móviles,
venecianas y cortinas pueden ser la respuesta que requieren estas condiciones tan
diferentes. Para reducir la ganancia térmica, los elementos de protección interiores
deben ser muy reflectantes. Aunque la protección interior es más sencilla, la exterior es
más efectiva.
1.6 Cortinas Inteligentes
En la actualidad Existen sistemas controlados por medio de la domótica que ofrecen al
usuario la comodidad de poder controlar, regular y dirigir las persianas de su hogar a su
antojo esto desde la comodidad de su dispositivo celular, Tablet, etc.
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Figura 1.6.1. Persianas Inteligentes.
Existen diversas empresas que brindan este servicio una de las cuales es LOXONE,
ofrece una opción de comodidad la cual la define como opción de sombreado inteligente
ofreciendo diversos movimientos de las persianas buscando la correcta acomodación de
las mismas durante el transcurso del día.
Por la mañana sube las persianas al mismo tiempo que suena la alarma del despertador
y en el transcurso del día mantiene las persianas arriba si se desea calentar las
habitaciones por medio de la luz solar, en caso de tormenta se bajan totalmente por
motivo de seguridad y por las noches se mantiene abajo con el fin de ofrecer intimidad.
Figura 1.6.2. Sombreado Inteligente
El funcionamiento que ofrece LOXONE lo hace desde una aplicación la cual es
generada por la empresa LOXONE y ofrece la comodidad de poder ser utilizada desde
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cualquier dispositivo descargando la aplicación a su celular, Tablet o laptop dando la
comodidad Smartphone.
Figura 1.6.3. Interfaz Aplicación LOXONE
1.7 Suelo Radiante Térmico
El suelo radiante térmico es hoy en día utilizado en los sistemas de domótica ofreciendo
un sistema de calefacción el cual se encuentra en el suelo de una sala o habitación
prometiendo un sistema de calentamiento y confort para los habitantes este se encuentra
por debajo de la duela o mármol de la casa (como se muestra en la Figura 1.7), estando
totalmente oculto a la vista y como los demás sistemas es controlado y regulado al gusto
de los habitantes, esto desde cualquier dispositivo bluetooth o central como lo ofrecen
diversas compañías.
Figura 1.7 Suelo térmico
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Este servicio es ofrecido ya por diversas empresas todas con la competencia por ser la
más eficaz en la radiación térmica, una de estas empresas es E-ficiencia Domestica.
1.7.1 E-ficiencia Domestica
Esta empresa ofrece el servicio de la radiación térmica por suelo radiante como
calefacción y refrescamiento convertido ya en una alternativa de climatización, trabajando
bajo la norma de aislamiento UNE 13163 en la cual se indican las normas bajo las que
se determinan los valores de conductividad y resistencia térmica, obligando que los
aislamientos tengan una declaración de todas sus propiedades y su certificación.12
La norma de suelo radiante es la UNE 1264, indicando los aislamientos mínimos exigidos,
dependiendo del país exigen y amplían el nivel de aislamiento requerido en el 2015 (como
se muestra en la figura 1.7.1 a).
Figura 1.7.1 a) Norma UNE 1264 Suelo térmico 2015.
La empresa E-ficiencia cumple con la norma UNE 1264 como se muestra en la figura
1.7.1 b).
12
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Figura 1.7.1 b) Calefacción de E-ficiencia
1.7.2 REHAU
La empresa REHAU busca adaptar su implementación de suelo radiante tanto para
diversas empresas como para los espacios pequeños como viviendas, residencias y
oficinas y en las obras mayores como naves industriales, edificios públicos y plantas de
producción utilizando sus componentes en forma de calefacción y de refrescamiento de
igual manera por debajo del suelo (como se muestra en la figura 1.7.2.).13
13 Veae referencia 13.
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Figura 1.7.2 Suelo radiante de REHAU
1.7.3 Solemx
La empresa Solemx ofrece un sistema de suelo radiante a base de tuberías PE-RT
colocadas bajo el suelo cerámico, mármol, duela, porcelana, etc. colocando placas de
aislante (poliestireno extruido), con tapetes de circuitos cerrados conectándolos a
manifolds de acero inoxidable, su fuente de calor es una caldera marca Bosch exclusiva
para este tipo de sistemas y con equipos de recirculación de agua con marca Grundfos
controlándolo por medio de termostatos digitales (como se muestra en la figura 1.7.3.)
Figura 1.7.3 Regulación de suelo térmico Solemx
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1.8 Elementos Incorporados
Los dispositivos usados para este proyecto los podemos dividir en 2 categorías:
1.8.1 Sensores:
Es un dispositivo con la capacidad de detectar magnitudes físicas o químicas, conocidas
como variables de instrumentos y con la capacidad de transformarlas en variables
eléctricas, las variables de instrumentación pueden ser: intensidad lumínica, temperatura,
inclinación, torsión, etc.
Los sensores siempre que se encuentren activos estarán continuamente evaluando la
situación en la habitación de una forma tanto analógica como digital.
Los sensores que se encuentren en servicio dentro de la casa notificarían la actividad por
medio de un aviso de que el sensor se encuentra activo como podría ser una luz o un led
y ser capaz de enviar una notificación al usuario a su celular.
El sensor que usaremos en nuestro caso para controlar el sistema de iluminación será
apoyado por un controlador PID que es mejor conocido por su capacidad de controlar un
margen deseado y permitiéndonos efectuar una regulación cuando lo deseemos,
trabajando en conjunto con una fotorresistencia a cuál efectuara el censo de la
iluminación y enviará la medición al PID y será regulada.
Figura 1.8.1 Fotorresistencia
Componente eléctrico cuya resistencia se ve disminuida con el aumento de la intensidad
de luz incidente, esto gracias a las células de sulfuro de cadmio que le permiten variar su
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resistencia dependiendo de la cantidad de incidencia de luz, y entre mayor sea menor es
su resistencia.
Figura 1.8.2 Termistor
Es una resistencia térmica sensible, existen dos tipos de termistores dependiendo de la
variación de la resistencia/coeficiencia de temperatura, pudiendo ser negativos (NTC) o
positivos (PTC).
Fabricados a partir de los óxidos de metales de transición (manganeso, cobalto, cobre y
níquel) los termistores NTC son semiconductores dependientes de la temperatura.
Operan en un rango -200°C a + 1000°C, un termistor NTC debe elegirse cuando es
necesario un cambio continuo de la resistencia en una amplia gama de temperaturas.
Los termistores ofrecen estabilidad mecánica, térmica y eléctrica, junto con un alto grado
de sensibilidad.
Un termistor PTC es fabricado de titanato de bario y debe elegirse cuando se requiere un cambio drástico en la resistencia a una temperatura específica o nivel de corriente, los PTC pueden ser ocupados como:
Sensor de temperatura para oscilaciones de 60°C a 180°C, suelen ser utilizados como protección de los bobinados de motores eléctricos y transformadores.
Fusible de estado sólido como protección contra el exceso de corriente oscilando entre mA a varios Amp a temperaturas de 25°C, usados a niveles de tensión continua superior a los 600 V, como en el caso de las fuentes de alimentación para diversos equipos.
Sensores de niveles de líquidos.
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1.8.2 Actuadores:
Es un dispositivo que posee la capacidad de convertir la energía eléctrica en la activación
de un proceso con el objetivo de crear un efecto automatizado, su funcionamiento en el
sistema de domótica será el de cambiar el estado de algún sistema leído por el sensor
logrando generar un cambio deseado por el usuario.
Figura 1.8.3 Motor a Pasos
Dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en
desplazamientos angulares discretos, siendo capaz de avanzar una serie de grados
(pasos) dependiendo de sus entradas de control, puede ser gobernado por impulsos de
un sistema.
Tiene la capacidad de presentar precisión y repetición en cuanto al posicionamiento,
entre sus principales aplicaciones destacan como motor de frecuencia variable, motor de
corriente continúa sin escobillas, servomotores y motores controlados digitalmente.
Existen 3 tipos de motores paso a paso
Motor de reluctancia variable
Motor de magnetización permanente
Motor híbrido
Motor de reluctancia variable: Cuenta con un rotor multipolar de hierro y estator
devanado laminado, y rota cuando los dientes del rotor son atraídos a los dientes del
estator electromagnéticamente energizados, la inercia del rotor es pequeña y la
respuesta es muy rápida, pero con una inercia permitida de la carga es pequeña, cuando
los devanados no están energizados, su par estático es cero, normalmente su paso es
de 15°.
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Motor de pasos de rotor de imán permanente: Permite mantener un par diferente de
cero cuando el motor no está energizado, dependiendo de su construcción se pueden
obtener pasos angulares de 7.5,11.25,15,18,45 o 90°, su ángulo de rotación es
determinado por el número de polos en el estator.
Motor de pasos híbrido: Caracterizado por tener varios dientes en el estator y en el
rotor, su motor está compuesto por un imán concéntrico magnetizado axialmente
alrededor del eje, su configuración es una mezcla de los tipos de reluctancia variable e
imán permanente, cuenta con una alta precisión y alto par, puede ser configurado para
suministrar un paso angular pequeño de 1.8°.
Motor paso a paso Unipolar: Este tipo de motor suele tener 5 o 6 cables de salida
dependiendo de su conexión interna, caracterizado por ser el más simple de controlar,
usan un cable común para la fuente de alimentación y posteriormente se colocan las otras
líneas a la tierra en un orden específico para generar cada paso, si se cuenta con 6 cables
es debido a que cada par de bobinas tiene un común separado, si se cuenta con 5 cables
es porque las 4 bobinas tienen un polo común, un motor unipolar de 6 cables puede ser
usado como un motor bipolar si se deja las líneas del común al aire.
Motor paso a paso Bipolar: Cuentan generalmente con 4 cables de salida, requieren
de un cambio de dirección de flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia
apropiada para realizar su movimiento.
Secuencia de rotación en un motor Bipolar: Como la variación de la dirección del
campo magnético creado en el estator producirá movimiento de seguimiento por parte
del rotor de imán permanente, el cual intentará alinearse con el campo magnético
inducido por las bobinas que excitan los electroimanes.
Control de las bobinas: Para el control de un motor paso a paso de tipo bipolar, se
establece el principio de “Puente H”, si se activan T1 y T4, permite la alimentación en un
sentido, si cambiamos el sentido de la alimentación activando T2 y T3, cambiaremos el
sentido de alimentación y el sentido de la corriente.
Velocidad de Rotación: La velocidad de la rotación puede ser calculada por la siguiente ecuación:
𝑓 = 60 ∗𝑓
𝑛− − − − − − − − − − − − − − − − − − − (1.1)
Donde:
f: frecuencia del tren de impulsos n: n° de polos que forman el motor
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Se debe considerar que este cálculo sirve para los motores que son alimentados a una frecuencia máxima de 625 Hz, en caso de que la frecuencia de pulsos sea demasiado elevada el motor suele presentar diversos problemas, los más comunes son:
No realiza ningún movimiento Comienza a vibrar, pero sin llegar a girar Gira erráticamente Gira en sentido opuesto Pierde potencia
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CAPITULO II
PLANEACIÓN DEL PROYECTO
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2 DISEÑO
2.1 Diseño del sistema controlador de iluminación
El sistema que controla la intensidad o el nivel de luz artificial se trata de un controlador
PID (proporcional, integral y derivativo), en el cual se establece una señal de referencia
que indica el nivel de iluminación deseado en una habitación o recinto y de otra señal
proveniente de un LDR (Light Dependent Resistor). El LDR es utilizado como sensor se
niveles variantes de iluminación con respecto a la iluminación proveniente de la luz
natural, al cambiar el nivel de iluminación con respecto al nivel deseado el controlador
PID, la diferencia de las señales en conocida como señal de error y el controlador se
encarga de eliminar el error por medio de un actuador (etapa de potencia) para ajustar la
iluminación artificial para que junto con la iluminación natural se logre el nivel deseado de
iluminación en la habitación o recinto.
En ocasiones el usuario necesita un nivel de iluminación para una tarea en específico y
requiere ajustar el nivel de iluminación, el ajuste es realizado por medio de un
microprocesador accionado por bluetooth desde un dispositivo móvil para ajustar el nivel
de iluminación.
Figura. 2.1.1 Sistema de controlador de iluminación.
El PID está constituido por una etapa de acción de control proporcional, una etapa
derivativa y una etapa integral, de acuerdo con el diagrama de la figura 2.1.1.
PID Actuador Habitación
LDR
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El controlador tiene una función de transferencia dada por:
𝑈(𝑠) = 𝐾𝑝 (1 +1
𝑇𝑖𝑠+ 𝑇𝑑𝑠) 𝐸(𝑠) − − − − − − − − − −(2.1)
Donde 𝐾𝑝es la constante de acción proporcional, 𝑇𝑖 es la constante de tiempo de la acción
integral, 𝑇𝑑es la constante de tiempo de la acción derivativa, 𝐸(𝑠) es la señal de error y
𝑈(𝑠) es la señal de control.
Figura 2.1.2. Controlador PID de iluminación.
En la figura 2.1.2, se muestra un diagrama simplificado de la implementación electrónica
utilizada, la cual consta de cuatro etapas. Por facilidad de implementación, se utilizaron
circuitos integradores y derivadores inversores, así como un sumador inversor y un
circuito de control de ganancia (acción proporcional 𝐾𝑝) inversor. Esto genera tres etapas
inversoras, y para compensar el signo, se añadió un amplificador diferencial que calcula
el error, pero con signo negativo. De esta manera, el circuito da la apariencia de tener
retroalimentación negativa, pero en realidad no es así.
1
𝑇𝑖𝑠
𝑇𝑑𝑠
𝐾𝑝
𝐸(𝑠)
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Figura 2.1.3. Esquema simplificado del controlador PID de iluminación.
En la figura 2.1.3, se muestra el diagrama esquemático del controlador PID propuesto.
𝑈(𝑠) =𝑅12
𝑅9(1 +
1
𝑠𝑅6𝑅11𝑅12𝐶2
𝑅9𝑅12
+ 𝑠𝑅8𝑅9𝑅12𝐶1
𝑅10𝑅12) 𝑉𝐸(𝑠) − − − − − (2.2)
𝐸(𝑠) = − (𝑅3
𝑅1𝑉𝐿𝐷𝑅 −
𝑅3
𝑅2𝑉𝑅15
) − − − − − − − − − − − − − (2.3)
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Figura 2.1.4. Diagrama eléctrico del controlador PID de iluminación.
Todo sistema de control debe empezar por generar una señal de error:
𝐸 = 𝑆𝑅 − 𝑉𝑉𝑃 − − − − − − − − − − − − − − − (2.4)
El error es igual a la señal de referencia menos el voltaje de la variable de proceso. En
este caso la señal de referencia 𝑆𝑅 = 𝑉𝑅15 y el voltaje de la variable de proceso 𝑉𝑉𝑃 = 𝑉𝐿𝐷𝑅.
𝑉𝐸 = 𝑉𝑅15− 𝑉𝐿𝐷𝑅 − − − − − − − − − − − − − −(2.5)
La ecuación que describe esta parte del diagrama es:
𝑉𝐸(𝑠) = − (𝑅3
𝑅1𝑉𝐿𝐷𝑅 −
𝑅3
𝑅2𝑉𝑅15
) − − − − − − − − − (2.6)
Se establecen un valor de resistores de valor igual para manejar solamente voltajes
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Figura. 2.2.3 Configuración de Circuito demodulador.
La función analogWrite(analogOutPin, outputValue) establece un ancho de pulso con
respecto a voltaje de entrada que es el voltaje 𝑉𝑃𝐼𝐷 y a la salida un PWM como se muestra
en la figura anterior. Y con el circuito demodulador se obtiene un voltaje continuo que
servirá para controlar el actuador de una forma más fácil.
Figura. 2.2.4 Señal PWM convertida a voltaje directo.
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2.3. Comunicación HC-05 El módulo de bluetooth HC-05 es el que ofrece una mejor relación de precio y características, ya que es un módulo Maestro-Esclavo, quiere decir que además de recibir conexiones desde una PC o Tablet, también es capaz de generar conexiones hacia otros dispositivos bluetooth. Esto nos permite, por ejemplo, conectar dos módulos de bluetooth y formar una conexión punto a punto para transmitir datos entre dos microcontroladores o dispositivos.
Figura.2.3 Módulo HC-05
La forma en que trabajara el circuito conformado por el PID, microcontrolador, modulo bluetooth y la etapa de potencia en función de que un usuario esté conectado se presenta de la siguiente manera: En el momento en que el usuario se conecta al módulo HC-05 el modulo envía una señal al microcontrolador y entra en una sentencia declarada por la función if(digitalRead(Usuario)==HIGH), dentro de la sentencia el microcontrolador guarda el último dato leído del PID y lo guarda. En cada ocasión que el usuario presiona las teclas en la interfaz se envían datos de manera inalámbrica desde el móvil hacia el microcontrolador por medio del módulo, la señal PWM crece o decrece en ancho de pulso para determinar la intensidad de la iluminación, pero no se puede conectar de manera directa, se tiene que diseñar un circuito para procesar la señal de salida por teniendo en cuenta las características electrónicas de los dispositivos programables. 2.3.1. Programa para control de iluminación, temperatura y posición de persianas:
#include <SoftwareSerial.h> int bluetoothTx=2; int bluetoothRx=3;
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char dataFromBt; SoftwareSerial bluetooth(bluetoothTx, bluetoothRx); //Iluminación const int analogInPin = A0; const int analogOutPin = 5; int sensorValue = 0; int outputValue = 0; int Usuario=4 ; char buffer[10]; int temp, ilum; //Temperatura const int analogInPin1 = A1; const int analogOutPin1 = 6; int sensorValue1 = 0; int outputValue1 = 0; //Percianas int S2 = 13; int S1 = 12; //Estado int Estado=8; void setup() Serial.begin(9600); bluetooth.begin(38400); bluetooth.print("$"); bluetooth.print("$"); bluetooth.print("$"); delay(100); bluetooth.println("U,9600,N"); bluetooth.begin(9600); pinMode(Usuario,INPUT); pinMode(S1, OUTPUT); pinMode(S2, OUTPUT); pinMode(Estado, OUTPUT); void loop() digitalWrite(Estado, HIGH); sensorValue = analogRead(analogInPin); sensorValue1 = analogRead(analogInPin1); if(digitalRead(Usuario)==HIGH) //U S U A R I O C O N E C T A D O digitalWrite(S1, HIGH);
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digitalWrite(S2, HIGH); if(bluetooth.available()) dataFromBt = bluetooth.read(); if (dataFromBt=='g')
//El usuario tiene el control el sistema y se le mandan los datos de temperatura e iluminación. switch(dataFromBt) ////////////////////////////////////////////////////////////////Luz case 'a': outputValue+=10; outputValue=constrain(outputValue,0,255); delay(10); break; case 'b': outputValue-=10; outputValue=constrain(outputValue,0,255); delay(10); break; ///////////////////////////////////////////////////////////////Temperatura case 'd': outputValue1+=10; outputValue1=constrain(outputValue1,0,255); delay(10); break; case 'c': outputValue1-=10; outputValue1=constrain(outputValue1,0,255); delay(10); break; ///////////////////////////////////////////////////////////////Percianas case 'e': digitalWrite(S1, LOW); digitalWrite(S2, LOW); delay(40); digitalWrite(S1, HIGH); digitalWrite(S2, LOW); break; case 'f': digitalWrite(S1, LOW); digitalWrite(S2, HIGH);
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delay(40); digitalWrite(S1, HIGH); digitalWrite(S2, LOW); break; analogWrite(analogOutPin1, outputValue1); analogWrite(analogOutPin, outputValue); digitalWrite(S1, HIGH); digitalWrite(S2, LOW); temp=(outputValue1/1023)*40; ilum=(outputValue/1023)*100; printf(buffer;"%d","%d",temp,ilum); if (dataFromBt=='h') //El usuario no tiene el control el sistema pero se le mandan los datos de temprartura e iluminación. analogWrite(analogOutPin1, outputValue1); analogWrite(analogOutPin, outputValue); digitalWrite(S1, HIGH); digitalWrite(S2, LOW); temp=(outputValue1/1023)*40; ilum=(outputValue/1023)*100; printf(buffer;"%d","%d",temp,ilum); if(digitalRead(Usuario)==LOW) //U S U A R I O D E S C O N E C T A D O //////////////////////////////////////////////////////////////////////Luz outputValue = map(sensorValue, 0, 1023, 0, 255); analogWrite(analogOutPin, outputValue); //////////////////////////////////////////////////////////////////////Temperatura outputValue1 = map(sensorValue1, 0, 1023, 0, 255); analogWrite(analogOutPin1, outputValue1); ´´´´´´
2.3.2. Programación en Android
El editor de bloques de la aplicación utiliza la librería Open Blocks de Java para crear un
lenguaje visual a partir de bloques. Estas librerías están distribuidas por Massachusetts
Institute of Technology (MIT) bg333ajo su licencia libre (MIT License). El compilador que
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traduce el lenguaje visual de los bloques para la aplicación en Android utiliza Kawa como
lenguaje de programación, distribuido como parte del sistema operativo GNU de la Free
Software Foundation.14
Figura 2.3.1 Diseño de Interfaz para el Usuario.
Figura 2.3.2 Programación de la Interfaz para el Usuario
14 Véase referencia 14.
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2.4. Etapa de potencia
Para poder suministrar la corriente necesaria hacia la carga es necesario implementar
un dispositivo que pueda suministrar dicha corriente, este dispositivo recibe el nombre
de etapa de potencia.
Antes de explicar la etapa de potencia se expondrán algunos puntos clave.
2.4.1 PWM
La modulación de ancho de pulso (PWM, por sus siglas en inglés) de una señal es una
técnica que logra producir el efecto de una señal analógica sobre una carga, a partir de
la variación de la frecuencia y ciclo de trabajo de una señal digital. El ciclo de trabajo
describe la cantidad de tiempo que la señal está en un estado lógico alto, como un
porcentaje del tiempo total que esta toma para completar un ciclo completo. La frecuencia
determina que tan rápido se completa un ciclo (por ejemplo: 1000 Hz corresponde a 1000
ciclos en un segundo), y por consiguiente que tan rápido se cambia entre los estados
lógicos alto y bajo. Al cambiar una señal del estado alto a bajo a una tasa lo
suficientemente rápida y con un cierto ciclo de trabajo, la salida parecerá comportarse
como una señal analógica constante cuanto esta está siendo aplicada a algún dispositivo.
Señales de PWM son utilizadas comúnmente en el control de aplicaciones. Su uso
principal es el control de motores de corriente continua, aunque también pueden ser
utilizadas para controlar válvulas, bombas, sistemas hidráulicos, y algunos otros
dispositivos mecánicos. La frecuencia a la cual la señal de PWM se generará, dependerá
de la aplicación y del tiempo de respuesta del sistema que está siendo controlado. A
continuación, se muestran algunas aplicaciones y sus respectivas frecuencias:
Calentar elementos o sistemas con tiempos de respuesta lentos: 10-
100 Hz o superior.
Motores eléctricos de corriente continua: 5-10 kHz o superior.
Fuentes de poder o amplificadores de audio: 20-200 kHz o superior.
A continuación, se muestran algunos gráficos demostrando señales PWM con
diferentes ciclos de trabajo:
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Figura 2.4.1 Ciclo de trabajo al 25%
Figura 2.4.2 Ciclo de trabajo al 50%
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Figura 2.4.3. Ciclo de trabajo al 75%
2.4.2. Resolución del PWM
La precisión con la que se puede variar el ciclo de trabajo se conoce como la resolución
de PWM. Mientras mayor sea la resolución mayor será el rango de ajuste para el ciclo
del trabajo.
Un transistor de unión bipolar consiste en tres regiones de semiconductores dopados. Se
puede utilizar una pequeña corriente en la región central o base, para controlar una
corriente mayor que fluye entre las regiones extremas (emisor y colector). El dispositivo
puede ser caracterizado como un amplificador de corriente, el cual tiene muchas
aplicaciones en la amplificación y la conmutación.
Figura. 2.4.4 Transistor PNP y NPN
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El transistor como amplificador de corriente
La corriente de colector IC más grande, es proporcional a la corriente de base IB de
acuerdo con la relación IC =βIB, o de manera más precisa es proporcional al voltaje base-
emisor VBE. La pequeña corriente de base controla la mayor corriente de colector,
logrando una amplificación de corriente.
Figura 2.4.5. Corriente que circula por el Transistor
El par Darlington
En la configuración de par Darlington se conectan los colectores de dos transistores, y el
emisor del primero excita la base del segundo. Esta configuración logra la multiplicación
de 𝑩𝒄𝒂𝟏 como se muestra en los siguientes pasos. La corriente en el emisor del primer
Los motores unipolares son relativamente fáciles de controlar, gracias a que poseen
devanados duplicados. Aunque para facilitar el esquema se dibuja este devanado como
una bobina con punto medio, en realidad tienen dos bobinas en cada eje del estator, que
están unidas por extremos opuestos, de tal modo que al ser alimentada una u otra,
generan cada una un campo magnético inverso al de la otra. Nunca se energizan juntas:
por eso lo correcto es decir que tienen una doble bobina, en lugar de decir (como se hace
habitualmente) que es una bobina con punto medio.15
Figura 2.5.2.1. Distribución del bobinado de un motor unipolar.
15 Véase referencia 15.
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65
Existen tres secuencias para controlar los motores paso a paso unipolares:
Simple: Es una secuencia donde se activa una bobina a la vez. Esto hace que el motor
tenga un paso más suave, pero por el contrario tenga menos torque y menos retención.
Tabla 2.5.2.1. Secuencia simple de un motor a pasos.
Paso Bobina
A
Bobina
B
Bobina
C
Bobina
D
Paso 1 1 0 0 0
Paso 2 0 1 0 0
Paso 3 0 0 1 0
Paso 4 0 0 0 1
Normal: Es la secuencia más usada y la que recomiendan los fabricantes. Con esta
secuencia el motor avanza un paso por vez y siempre hay dos bobinas activadas. Con
esto se obtiene un mayor torque y retención.
Tabla 2.5.2.2. Secuencia normal de un motor a pasos.
Paso Bobina
A
Bobina
B
Bobina
C
Bobina
D
Paso 1 1 1 0 0
Paso 2 0 1 1 0
Paso 3 0 0 1 1
Paso 4 1 0 0 1
Medio paso: Se activan primero dos bobinas y después solo una y así sucesivamente.
Esto provoca que el motor avance la mitad del paso real. Esto se traduce en un giro más
suave y preciso.
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66
Tabla 2.5.2.3. Secuencia de medio paso de un motor a pasos.
Paso Bobina A Bobina B Bobina C Bobina D
Paso 1 1 0 0 0
Paso 2 1 1 0 0
Paso 3 0 1 0 0
Paso 4 0 1 1 0
Paso 5 0 0 1 0
Paso 6 0 0 1 1
Paso 7 0 0 0 1
Paso 8 1 0 0 1
2.5.2.2. Motores a paso bipolares
Los motores bipolares requieren circuitos de control y de potencia más complejos. Pero
en la actualidad esto no es problema, ya que estos circuitos se suelen implementar en un
integrado, que soluciona esta complejidad en un solo componente. Como mucho se
deben agregar algunos componentes de potencia, como transistores y diodos para las
contracorrientes, aunque esto no es necesario en motores pequeños y medianos.16
Figura 2.5.2.2. Distribución del bobinado de un motor bipolar.
16 Véase referencia 16.
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Secuencia para controlar motores paso a paso Bipolares
Un motor paso a paso bipolar necesita invertir la corriente que circula por sus bobinas
en una secuencia determinada para provocar el movimiento del eje.
Tabla 2.5.2.4. Secuencia de un motor a pasos bipolar.
Paso Bobina
1A
Bobina
1B
Bobina
2A
Bobina
2B
Paso 1 1 0 1 0
Paso 2 1 0 0 1
Paso 3 0 1 0 1
Paso 4 0 1 1 0
2.5.3. Programación de los motores para el toldo
Se requiere de un microcontrolador esclavo para que genere la secuencia de pasos para
un motor a pasos unipolar.
int falla = 5; int prioridad = 6; int habilita = 9; int motorPin1 = 10; int motorPin2 = 11; int motorPin3 = 12; int motorPin4 = 13; int usuario=4; int S1;//2 int S2;//3 int nublado; int paso= 0; const int analogInPin0 = A0; //nublado int sensorValue0 = 0; const int analogInPin1 = A1; //dirección int sensorValue1 = 0; const int analogInPin2 = A2; //posición int sensorValue2 = 2;
if(digitalRead(usuario)==LOW) //U S U A R I O D E S C O N E C T A D O sensorValue0=analogRead(analogInPin0); //nublado if(sensorValue0>510) nublado=1; if(sensorValue0<=510) nublado=0; sensorValue1=analogRead(analogInPin1); //dirección
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void setup() pinMode(motorPin1, OUTPUT); pinMode(motorPin2, OUTPUT); pinMode(motorPin3, OUTPUT); pinMode(motorPin4, OUTPUT); pinMode(falla, OUTPUT); pinMode(habilita, OUTPUT); pinMode(S1, INPUT); pinMode(S2, INPUT); pinMode(usuario,INPUT); digitalWrite(falla, HIGH); void loop() if(prioridad==0) digitalWrite(falla, HIGH); if(prioridad==1) digitalWrite(falla, LOW); if(digitalRead(usuario)==HIGH) //U S U A R I O C O N E C T A D O S1 = digitalRead(2); S2 = digitalRead(3); if(S1==0 && S2==0) digitalWrite(habilita, HIGH); delay(100); paso=paso+1; if(paso==1) digitalWrite(motorPin1, HIGH); digitalWrite(motorPin2, LOW); digitalWrite(motorPin3, LOW); digitalWrite(motorPin4, LOW); if(paso==2) digitalWrite(motorPin1, LOW); digitalWrite(motorPin2, HIGH); digitalWrite(motorPin3, LOW); digitalWrite(motorPin4, LOW);
Sustituyendo valores en la 2.65 y desarrollando el periodo de este circuito será:
𝑇 =𝑅 ∗ (10.1𝑉 − 1.9𝑉) ∗ 0.1𝜇𝐹
12𝑉 + 6𝑉+
𝑅 ∗ (10.1𝑉 − 1.9𝑉) ∗ 0.1𝜇𝐹
12𝑉 − 6𝑉
𝑇 =𝑅 ∗ (8.2𝑉) ∗ 0.1𝜇𝐹
18𝑉+
𝑅 ∗ (8.2𝑉) ∗ 0.1𝜇𝐹
6𝑉
𝑇 = (𝑅 ∗ 45.5555𝑛𝐹) + (𝑅 ∗ 136.6666𝑛𝐹)
𝑇 = 𝑅 ∗ 182.2221𝑛𝐹
𝑅 =16.6666𝑚𝑆𝑒𝑔
182.2221𝑛𝐹= 91𝐾Ω
Se utilizará un potenciómetro de 100𝐾Ω para seleccionar el valor exacto de la resistencia
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87
2.6.2 Etapa de potencia Cuando surge la necesidad de variar una tensión alterna, con el objetivo de entregar
mayor o menor potencia en una carga particular, es donde aparecen los controles de
potencia monofásicos, con los cuales se logra recortar partes de la onda senoidal,
variando la potencia entregada a la carga. Las técnicas convencionales empleadas, son
por control de fase, estas generan armónicas cercanas a la armónica fundamental, lo cual
hace que los filtros utilizados para eliminarlas sean complejos y poco económicos.
El funcionamiento básico de la modulación por ancho de pulso, una serie de pulsos cuyo
ancho es controlado por la variable de control. Es decir, que, si la variable de control se
mantiene constante o varía muy poco, entonces el ancho de los pulsos se mantendrá
constante o variará muy poco respectivamente. Si hacemos que el ancho de pulso no
varíe linealmente con la variable de control, de modo que el ancho de los pulsos puede
ser diferentes unos de otros. Existen distintos métodos para variar el ancho de los pulsos.
El más común y el que incentiva esta ponencia es la modulación senoidal del ancho de
pulso (PWM).
El término del ciclo de trabajo describe la proporción de tiempo 'ENCENDIDO' en el
intervalo regular o "período" de tiempo, un ciclo de trabajo bajo corresponde a la energía
baja, porque el poder está apagado durante la mayor parte del tiempo. El ciclo de trabajo
se expresa en porcentaje, 100% es la carga completa de trabajo. La principal ventaja de
PWM es que la pérdida de potencia en los dispositivos de conmutación, ya es muy baja.
La modulación PWM también ser controlado por sistemas digitales para controlar el ciclo
de trabajo utilizado para transmitir información a través de un canal de comunicación. La
modulación PWM se utiliza también en eficientes reguladores de voltaje. Por el cambio
de voltaje a la carga con el ciclo de trabajo oportuno, el resultado se aproximará a una
tensión en el nivel deseado.
2.6.2.1. Formas de onda de los triac´s La relación en el circuito entre la fuente de voltaje, el triac y la carga. La corriente promedio entregada a la carga puede variarse alterando la cantidad de tiempo por ciclo que el triac permanece en el estado encendido.
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Figura. 2.6.2.1 Diagrama de conexión de un triac.
Si permanece una parte pequeña del tiempo en el estado encendido, el flujo de corriente promedio a través de muchos ciclos será pequeño, en cambio si permanece durante una parte grande del ciclo de tiempo encendido, la corriente promedio será alta. Un triac no está limitado a 180° de conducción por ciclo. Con un arreglo adecuado del disparador, puede conducir durante el total de los 360° del ciclo.
Figura. 2.6.2.2 Ciclos de trabajo.
La conducción empieza cuando se ingresa una corriente de magnitud mínima IGT positiva o negativa por la compuerta (Pin G), una vez que el triac entra en conducción, la compuerta pierde el control y el triac permanecerá conduciendo hasta que la corriente que circula entre A1 y A2 sea menor a una corriente de mantenimiento IH, si necesitamos que el triac vuelva a conducir debemos lanzar otro pulso de corriente en el gate, aun cuando existen más formas de disparar el triac, para el propósito presente solo usaremos la que hemos mencionado.
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89
2.6.3. Control de Fase
Si conectamos la fuente 𝑉𝑎𝑐directamente a la carga la potencia en la carga viene dada por:
Ahora, que pasa si permitimos que se transfiera corriente a la carga solo a partir de un cierto ángulo de disparo al cual llamaremos "α", la tensión que llega a la carga tendría la forma de la onda de color verde como muestra la siguiente figura.
El ángulo α puede tomar cualquier valor entre 0 y π radianes, la potencia promedio que recibe la carga en función del ángulo de disparo α, estará dada por la fórmula:
𝑃 =1
𝜋∫
[𝐴 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝑜 (𝛼)]2
𝑅
𝜋
𝛼
∗ 𝑑𝑥 − − − − − − − − − − − − − (2.67)
𝑃 =𝐴2
2𝜋𝑅 [𝜋 − 𝛼 +
1
2 𝑠𝑒𝑛𝑜(2𝛼)] − − − − − − − − − − − − − (2.68)
De la misma manera si queremos calcular el voltaje efectivo de la nueva onda "senoidal troceada", en función del ángulo α tenemos:
𝑉𝑟𝑚𝑠 =𝐴
√2𝜋 √[𝜋 − 𝛼 +
1
2 𝑠𝑒𝑛𝑜 (2𝛼)] − − − − − − − − − − − − − −(2.69)
Figura 2.6.3.1. Circuito de potencia de resistencia térmica.
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CAPITULO III
REALIZACIÓN DEL PROYECTO
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91
3.1 Realización de la Tarjeta Controladora
El circuito es una simplificación de la tarjeta de desarrollo Arduino UNO, es decir, no tiene
convertidor USB-SerieTTL en la placa, ni conector de 6 pines para el ISP.
Figura 3.1.1. Mascara de soldadura Arduino Maestro.
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92
a) b)
Figura.3.1.2 a) Mascara de Componentes, b) Placa terminada.
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93
3.2 Circuito Controlador de Intensidad de Iluminación
Figura.3.2.1 Programa eléctrico del sistema de iluminación.
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94
Debido a la complejidad del circuito en una densidad, se utilizará una placa de fibra de
vidrio de doble densidad para diseñar el circuito de control de iluminación.
a) b)
Figura.3.2.2. a) Capa superior del circuito, b) Capa inferior del circuito.
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95
a) b)
Figura.3.2.3 a) Mascara de componentes, b) Placa terminada.
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96
3.3 Control de potencia para los motores a pasos
El integrado L293D incluye cuatro circuitos para manejar cargas de potencia media, en
especial pequeños motores y cargas inductivas, con la capacidad de controlar corriente
hasta 600 mA en cada circuito y una tensión entre 4,5 V a 36 V.
Figura. 3.3.1 Circuito integrado L293D.
Las salidas tienen un diseño que permite el manejo directo de cargas inductivas tales
como relés, solenoides, motores de corriente continua y motores por pasos, ya que
incorpora internamente los diodos de protección de contracorriente para cargas
inductivas.
Las entradas son compatibles con niveles de lógica TTL. Para lograr esto, incluso cuando
se manejen motores de voltajes no compatibles con los niveles TTL, el chip tiene
terminales de alimentación separadas para la lógica (VCC1, que debe ser de 5V) y para
la alimentación de la carga (VCC2, que puede ser entre 4,5V y 36V). 17
Estos circuitos de salida se pueden habilitar en pares por medio de una señal TTL. Los
circuitos de manejo de potencia 1 y 2 se habilitan con la señal 1,2, EN y los circuitos 3 y
4 con la señal 3,4, EN.
17 Véase referencia 17.
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97
Figura.3.3.2 Terminales del circuito integrado L293D.
Las entradas de habilitación permiten controlar con facilidad el circuito, lo que facilita la
regulación de velocidad de los motores por medio de una modulación de ancho de pulso.
En ese caso, las señales de habilitación en lugar de ser estáticas se controlarían por
medio de pulsos de ancho variable.
Las salidas actúan cuando su correspondiente señal de habilitación está en alto. En estas
condiciones, las salidas están activas y su nivel varía en relación con las entradas.
Cuando la señal de habilitación del par de circuitos de manejo está en bajo, las salidas
están desconectadas y en un estado de alta impedancia.
En la tabla de funcionamiento que sigue se puede observar los niveles TTL que
corresponden a cada situación de trabajo:
Tabla 3.3.1 Funcionamiento del Circuito Integrado L293D
Entradas Salida
A EN Y
H H H
L H L
X L Z
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H= Nivel alto.
L= Nivel bajo.
X= Irrelevante.
EN= Habilitación.
Z= Alta impedancia.
Figura.3.3.3 Diagrama de conexión del Circuito Integrado L293D.
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En la siguiente Figura 3.3.4 Mostramos el Circuito de iluminación completo para las
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Figura.3.3.5 Diagrama del seguidor de Sol.
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Placa del microcontrolador esclavo:
a) b)
c)
Figura.3.3.6 a) Soldadura b) Mascara de componentes c) Placa terminada.
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Las terminales centrales de la cápsula del chip están pensadas para proveer el contacto
térmico con un dispador que permitirá lograr la potencia máxima en el manejo del
integrado. En la Figura que siguen se observa la distribución de pines afectados a esta
disipación, el área de cobre que se deja en el circuito impreso por debajo y a los lados
del chip, y el diseño del disipador que propone el fabricante. La hoja de datos aporta una
curva que permite una variación de estos tamaños según la potencia a manejar.
Figura.3.3.7. Diseño del disipador de calor en el circuito impreso.
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Placa de doble dencidad para el circuito de seguidor de Sol e integrados L293D.
a) b)
c) d)
Figura.3.3.8. a) Soldadura b) Componentes c) Mascara de componentes d) Placa
terminada.
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Figura.3.3.9 Circuito de control de temperatura.
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Diseño de placas del PID, generador de onda triangular y generador de ancho de pulso
para el sistema de Temperatura.
a)
b)
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c)
d)
Figura.3.3.10 a) Cara superior, b) Cara inferior, c) Mascara de componentes y d) Placa
terminada.
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Amplificador Operacional Configurado como Comparador
Las aplicaciones específicas de este y que, dentro de la experiencia práctica electrónica, se muestra de una gran utilidad. Se trata de los comparadores.
Ocurre, en multitud de ocasiones, que deseamos comparar una tensión con otra para ver cuál de las dos es mayor. Para ello se puede utilizar un circuito implementado a partir de amplificadores operacionales y que responde al nombre (claro está) de comparador.
Para utilizar como comparador un amplificador operacional sólo tenemos que colocar cierta tensión, por ejemplo, en la entrada inversora (V-) la cual realizará la función de tensión de referencia. Si, a continuación, colocamos una tensión en la entrada no inversora (V+) del mismo operacional obtendremos una señal de salida (Vs) que será función del resultado de la comparación de ambas señales.
Figura 3.4.1 Diagrama Eléctrico de un Circuito Comparador
Como resumen del comportamiento de dicho montaje podemos pensar en la siguiente lógica: - Si la tensión V+ es mayor que V- la salida Vs será de nivel alto. - Si la tensión V+ es menor que V- la salida Vs será de nivel bajo. La forma más simple de constituir un comparador con un amplificador operacional consiste en conectar el mismo sin resistencias de realimentación de forma que la entrada no inversora haga las funciones de entrada de señal a comparar, mientras que la terminal inversora se conecta a tierra lógica.
Vs
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3.4 Placas del circuito de control de potencia
a)
b)
c)
Figura. 3.4.2 a) Cara inferior, b) Mascara de componentes y c) Placa terminada.
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Figura 3.4.3 Simulación de un Circuito Comparador.
Señales obtenidas
Durante la revisión de la tarjeta comprobamos que si funciono satisfactoriamente que las
señales a la entrada y salida son las esperadas.
Figura 3.4.4 Generación de PWM con un Circuito Comparador.
Considerando un caso en el cual se necesite de un apoyo manual o simplemente se
desee controlar los sistemas de forma manual se consideró la realización de una prioridad
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usuario la cual aun cuando el sistema automático este en uso si el usuario desea regular
los distintos servicios el tendrá la opción de poder hacerlo sin necesidad de esperar la
supervisión de un técnico ni la asesoría de nadie al poder regularlo de acuerdo a su
necesidad.
3.5. SISTEMAS DE CONTROL MANUAL, SEMIAUTOMATICOS Y AUTOMATICOS
3.5.1. MANUAL:
Este tipo de control se ejecuta manualmente en el mismo lugar en que está colocada la
máquina. Este control es el más sencillo y conocido y es generalmente el utilizado para
el arranque de motores pequeños a tensión nominal. Este tipo de control abunda en
talleres pequeños de metalistería y carpintería, en que se utilizan máquinas pequeñas
que pueden arrancar a plena tensión sin causar perturbaciones en las líneas de
alimentación o en la máquina. Una aplicación de este tipo de control es una máquina de
soldar del tipo motor generador.18
El control manual se caracteriza por el hecho de que el operador debe mover un
interruptor o pulsar un botón para que se efectúe cualquier cambio en las condiciones de
funcionamiento de la máquina o del equipo en cuestión.
3.5.2. SEMI-AUTOMATICO:
Los controladores que pertenecen a esta clasificación utilizan un arrancador
electromagnético y uno o más dispositivos pilotos manuales tales como pulsadores,
interruptores de maniobra. Quizás los mandos más utilizados son las combinaciones de
pulsadores a causa de que constituyen una unidad compacta y relativamente
económica.19
La clave de la clasificación como en un sistema de control semiautomático es el hecho
de que los dispositivos pilotos son accionados manualmente y de que el arrancador del
motor es de tipo electromagnético.
18 Véase referencia 18. 19 Véase referencia 19.
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3.5.3. CONTROL AUTOMATICO:
En algunos casos el control puede tener combinación de dispositivos manuales y
automáticos. Si el circuito contiene uno o más dispositivos automáticos, debe ser
clasificado como control automático.
Son aquellos en los que se usa un controlador que opera en lugar del operador humano,
cumpliendo idéntica función. Los sistemas de control automáticos cumplen desde
siempre la función de evitar al ser humano ciertas tareas, fundamentalmente las
repetitivas y tediosas, por medio de dispositivos mecánicos, eléctricos, o de otro tipo.20
3.5.4. Señales analógicas
La señal analógica es aquella que presenta una variación continua con el tiempo, es
decir, que a una variación suficientemente significativa del tiempo le corresponderá una
variación igualmente significativa del valor de la señal (la señal es continua). Toda señal
variable en el tiempo, por complicada que ésta sea, se representa en el ámbito de sus
valores (espectro) de frecuencia. 21
Figura. 3.5.4.1. Señal analógica.
Es preciso indicar que la señal analógica, es un sistema de comunicaciones de las
mismas características, mantiene dicho carácter y deberá ser reflejo de la generada por
20 Véase referencia 20. 21 Véase referencia 21.
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el usuario. Esta necesaria circunstancia obliga a la utilización de canales lineales, es decir
canales de comunicación que no introduzcan deformación en la señal original.
Las señales analógicas predominan en nuestro entorno (variaciones de temperatura,
presión, velocidad, distancia, sonido etc.) y son transformadas en señales eléctricas,
mediante el adecuado transductor, para su tratamiento electrónico.
La utilización de señales analógicas en comunicaciones todavía se mantiene en la
transmisión de radio y televisión tanto privada como comercial. Los parámetros que
definen un canal de comunicaciones analógicas son el ancho de banda (diferencia entre
la máxima y la mínima frecuencia a transmitir) y su potencia media y de cresta.
3.5.5 Señales digitales
Una señal digital es aquella que presenta una variación discontinua con el tiempo y que
sólo puede tomar ciertos valores discretos. Su forma característica es ampliamente
conocida: la señal básica es una onda cuadrada (pulsos) y las representaciones se
realizan en el dominio del tiempo.22
Sus parámetros son:
Altura de pulso (nivel eléctrico)
Duración (ancho de pulso)
Frecuencia de repetición (velocidad pulsos por segundo)
Las señales digitales no se producen en el mundo físico como tales, sino que son creadas
por el hombre y tiene una técnica particular de tratamiento, la señal básica es una onda
cuadrada.
Figura. 3.5.5.1. Señal digital.
22 Véase referencia 22.
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3.5.6. Multiplexores
Los multiplexores son circuitos combinacionales con varias entradas y una salida de
datos, y están dotados de entradas de control capaces de seleccionar una, y sólo una,
de las entradas de datos para permitir su transmisión desde la entrada seleccionada a la
salida que es única.23
La cantidad de líneas de control que debe de tener el multiplexor depende del número de
canales de entrada. En este caso, se utiliza la siguiente fórmula: Número de canales de
entrada es 2𝑛, donde 𝑛 es el número de líneas de selección.
Figura.3.5.6.1. Multiplexor.
3.5.7. Circuitos de control manual
Registro de Desplazamiento Universal Se trata de un circuito integrado, que dispone de
un registro de desplazamiento, que permite carga serie, carga paralela, desplazamiento
a izquierda y a derecha, mediante el uso de unas señales de control. La figura muestra
un Registro de Desplazamiento Universal de 4 bits (74194).
23 Véase referencia 23.
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Figura.3.5.7.1. Circuito integrado 74LS194.
Cabe hacer notar que cuando se selecciona la operación de desplazamiento a la derecha
el bit que se carga (entrada: DSR) queda registrado en la posición A (salida: QA),
mientras que, si seleccionamos la operación de desplazamiento a la izquierda, el bit que
se carga (entrada: DSL) queda registrado en la posición D (salida: QD).
Tabla 3.5.7.1. Modo de operación del Circuito Integrado 74194.
Modo de operación 𝑺𝟎 𝑺𝟏
Mantener 0 0
Desplazamiento Izq. 0 1
Desplazamiento Der. 1 0
Carga paralelo 1 1
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Figura. 3.5.7.2. Circuito de recuperación del bit.
Al energizar los circuitos que conforman los sistemas automáticos se escribiré una
palabra bit con el arreglo de interruptores S1, la palabra bit se encuentra cargada con un
circuito RC al momento de encender todo el sistema, pero no es utilizada hasta el
momento de la descompostura del sistema automático de los motores. En el momento
cuando falla el microcontrolador para el control de los motores, el microcontrolador se
apaga, esta señal de estado bajo es enviada y utilizada a un multiplexor encargado de
seleccionar la señal de pulsos del circuito manual y no del microcontrolador para dar
sentido y movimiento a los motores a pasos.
En el momento de energizar el sistema los capacitores electrolíticos comienzan a
cargarse con el voltaje suministrado, durante el tiempo de carga los capacitores actúan
como una línea, el corto circuito (régimen transitorio) genera un estado bajo y al estar
conectados a los inversores se obtiene un estado alto, en la TABLA DE MODO DE
OPREACION se indica el que se cargara la palabra bit para ser usada manualmente.
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Figura. 3.5.7.3. Circuitos RC encargados de cargar la palabra bit.
Cuando se conecta la alimentación en un circuito RC existe un período de tiempo durante
el cual se producen variaciones en las corrientes y tensiones. A este período se lo llama
régimen transitorio. Luego de un tiempo correspondiente a 5 constantes de tiempo, el
circuito adquiere sus características definitivas, período conocido como régimen estable.
Figura.3.5.7.4. Circuito RC.
Al cerrar el circuito, en un primer momento no hay cargas en las placas del capacitor. Las
primeras cargas se ubican en las placas con facilidad por lo que la corriente es máxima
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(el capacitor funciona como un conductor). Por la misma razón no hay diferencia de
potencial entre los bornes del capacitor (como no la hay en un conductor).
Llega un momento que el capacitor casi del todo cargado y no hay prácticamente
corriente que circule a través del mismo, comportándose como un circuito abierto. Por lo
tanto, el voltaje entre las terminales del capacitor es la de la fuente de voltaje.
Constante de tiempo:
Se debe tomar en cuenta que los resistores de pull up para los circuitos integrados TTL
empleados en este proyecto son de 10KΩ se tiene lo siguiente.