Control Remoto de Ventanas Automaticas

UNIVERSIDAD AUTNOMA DEL ESTADO

DE HIDALGO

INSTITUTO DE CIENCIAS BSICAS E INGENIERA

INGENIERA EN ELECTRNICA Y TELECOMUNICACIONES

CONTROL REMOTO DE VENTANAS AUTOMTICAS

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE

INGENIERO EN ELECTRNICA Y TELECOMUNICACIONES

P R E S E N T A

A L E J A N D R O J A R I L L O S I L V A

ASESORES DE TESIS

DR. LUIS ENRIQUE RAMOS VELASCO

ING. FRANCISCO MORALES JIMNEZ

PACHUCA DE SOTO, HIDALGO. ABRIL DE 2007

Agradecimientos

A mis padres, hermanos y familiares.

A mis asesores de tesis, Dr. Luis Enrique

Ramos Velasco e Ing. Francisco Morales

Jimnez.

A mis camaradas Jaqueline, Jorge,

Guadalupe, Ale, Norma, Beto, Rene, Jos

Manuel y a t mi nia hermosa que sin

duda has estado conmigo en las buenas y

en las malas.

Agradecimientos

A

UAEH por los apoyos recibidos mediante

los proyectos: Programa Anual de

Investigacin 2006 con nmero

PAI-31A y al LAboratorio de RObots

SubActuados (LAROSA) PIFI 3.3

con nmero P/CA-11 2006-14-18.

ndice general

1. Introduccin 11.1. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.2. Hiptesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3. Objetivos de la tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.4. Justificacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.5. Aportaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.6. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.7. Organizacin del documento de tesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

2. Lo bsico de automatizacin 112.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112.2. Sistemas de control y sus aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.3. Mecanismos empleados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.4. Motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.4.1. Motores de CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.4.2. Motores a pasos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.4.3. Servomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.5. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.6. Circuitos integrados digitales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.6.1. Compuertas lgicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.7. Comentarios y referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3. Consideraciones en la automatizacin de ventanas 393.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.2. Encontrando partes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.3. Modulacin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.4. Comunicacin digital . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.5. Comentarios y referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4. Instrumentacin de ventanas 494.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494.2. Abrir una ventana automticamente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.3. Clculos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

i

ii NDICE GENERAL

4.4. Pruebas del transmisor y receptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634.5. Comentarios y referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5. Etapa de potencia y control 675.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.2. Controlador electrnico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.3. Etapa de potencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705.4. Comentarios y referencias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

6. Prototipo 736.1. Introduccin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736.2. Construccin de la ventana de aluminio . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746.3. Elaboracin del marco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746.4. Colocacin de la ventana en el marco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756.5. Mantenimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766.6. Comentarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

7. Conclusiones y trabajos futuros 79

A. Tabla de acrnimos 81

Bibliografa 83

ndice de Tablas

2.1. Diferencias de trabajo entre tecnologa TTL y CMOS. . . . . . . . . . . 36

4.1. Material requerido para las pruebas de transmisin y recepcin. . . . . 64

5.1. Tabla de verdad de la compuerta AND. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.2. Componentes requeridos para el diseo del puente H. . . . . . . . . . . 715.3. Tabla de verdad del puente H. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

iii

ndice de figuras

1.1. Diagrama a bloques de un sistema domtico bsico. . . . . . . . . . . . 21.2. Diagrama esquemtico del proceso de automatizacin de la ventana. . . 9

2.1. Algunos lazos abiertos de sistemas automatizados incorporan un tempo-rizador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2. Un termostato es un ejemplo de un sistema automatizado en lazo cerrado. 132.3. Elementos de un control remoto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142.4. Diferentes acercamientos a las aplicaciones de control remoto simple. . 152.5. Elementos de una palanca simple. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.6. Palanca de segundo orden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.7. Palanca de tercer orden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.8. Una polea es otro simple mecanismo que es frecuentemente til en apli-

caciones de control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.9. Las poleas multiples crean muchas ventajas en los mecanismos. . . . . . 242.10. Polea de gancho. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.11. Un polea y una banda son usadas para cambiar la velocidad del movimien-

to de rotacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.12. Motor de CD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.13. Motor a pasos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.14. Un sensor magntico es muy til en las aplicaciones de control. . . . . . 312.15. En la figura se muestra interruptor rpido que es utilizado para detectar

movimientos relativamente pequeos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.16. Los interruptores de mercurio son usualmente utilizados porque se puede

sensar ngulo. Este es un interruptor rpido que es utilizado para detectarmovimientos relativamente pequeos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.17. Un simple divisor con una resistencia variable puede introducir un voltajevariable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.18. Cadena de diodos para sensar la posicin de movimientos mecnicos. . 35

3.1. Representacin de la modulacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.2. Tipos de Modulacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.3. Comunicacin digital. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.4. Modulacin ASK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

v

3.5. Seal moduladora en el dominio en tiempo y frecuencia. . . . . . . . . 46

4.1. Instalacin tpica usando lo interruptores magnticos rojos. . . . . . . . 504.2. Sensor fin de carrera. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.3. Optointerruptor ITR8102. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.4. Motor reductor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.5. Parmetros reales de posicin de poleas para la ventana comercial. . . . 534.6. Polea fija. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534.7. MOSFET canal n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.8. Puente H. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.9. Representacin a bloques de la transmisin X10. . . . . . . . . . . . . . 594.10. Transmisor TWS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.11. Receptor RWS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.12. Transmisor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.13. Receptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624.14. Pruebas del receptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.15. Receptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.16. Transmisor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

5.1. Salida de la compuerta AND cuando una entrada esta deshabilitada; eneste caso el receptor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.2. Salida de la compuerta AND cuando una entrada esta deshabilitada, eneste caso el sensor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.3. Salida de la compuerta AND cuando las dos entradas estn habilitadas. 705.4. Puente H. Primer ciclo de conmutacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . 725.5. Puente H. Segundo ciclo de conmutacin. . . . . . . . . . . . . . . . . 72

6.1. Dimensiones de la ventana de aluminio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746.2. Elaboracin del marco. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756.3. Hueco donde va la puerta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756.4. Prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766.5. Circuitos que deben limpiarse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Resumen

En este trabajo de tesis se presenta el diseo electrnico y mecnico para la automa-tizacin de una ventana comercial que se desplaza horizontalmente, donde la aperturay el cierre se hace a travs de un control remoto, el cual a su vez hace uso de radiofrecuencia, cuya seal transmitida esta modulada y codificada digitalmente, empleandopara esto la norma X10 que rige los sistemas domticos actuales. La distancia mximaalcanzada entre el transmisor y receptor es de 20 metros.

Para el completo entendimiento del desarrollo tecnolgico se abordan los principiosbsicos de electrnica analgica, as como de algunos principios de palancas y poleasempleados para la instrumentacin de la ventana. Presentadose los detalles de cons-truccin de la ventana automtica desde el diseo de circuitos hasta la elaboracin delprototipo final, para esto se asume que se tiene una ventana comercial cuyas dimensionesson de 0.6 metros de ancho por 0.9 metros de largo, para despus implementar todoslos mecanismos tanto electrnicos como mecnicos.

Captulo 1

Introduccin

Domtica viene del latn domus que significa casa; que tambin est presente enla palabra domstico y de un sufijo, -tica; que tambin est en telemtica, ofimtica,robtica, etc. En el origen remoto, la terminacin -tica remite a automtica, y hoyen general induce el significado de gestin por medios informticos. En ingls se dicedomotics.

El concepto domtica se refiere a la automatizacin y control (apagar-encender,abrir-cerrar y regular) de los sistemas domsticos como son: la iluminacin, climati-zacin, persianas y toldos, puertas y ventanas, cerraduras, riego, electrodomsticos,suministro de agua, suministro de gas, suministro de electricidad, etc.

Un sistema domtico bsico consiste de cuatro elementos que interactuan entre s,como se muestra en la Figura1.1:

1. Elementos de una casa habitacin: pueden ser puertas, ventanas, etc.

2. Control: es la central que gestiona el sistema. En ste reside toda la inteligenciadel sistema y suele tener las interfaces de usuario necesarios para presentar lainformacin requerida por el usuario (pantalla, teclado, monitor, etc.).

3. Actuador: es el dispositivo de salida capaz de recibir una orden del controladory realizar una accin (encendido-apagado, subida-bajada de persiana, apertura-cierre de electrovlvula, etc.).

4. Sensor: es el dispositivo que monitorea el entorno con objeto de generar un eventoque ser procesado por el controlador (sensores de temperatura, viento, humedad,humo, escape de agua o gas, etc.).

Desde el punto de vista de donde reside la inteligencia del sistema domtico, haydos arquitecturas diferentes:

1. Arquitectura centralizada: un controlador centralizado recibe informacin de mlti-ples sensores y, una vez procesada, genera las rdenes oportunas para los actua-dores.

1

2Figura 1.1: Diagrama a bloques de un sistema domtico bsico.

2. Arquitectura distribuida: en este caso, no existe la figura del controlador cen-tralizado, sino que toda la inteligencia del sistema est distribuida por todos losmdulos sean sensores o actuadores. Suele ser tpico de los sistemas de cableadoen bus.

Hay que destacar que algunos sistemas usan un enfoque mixto, esto es, son sistemascon arquitectura descentralizada ya que disponen de varios pequeos dispositivos ca-paces de adquirir y procesar la informacin de mltiples sensores y transmitirlos al restode dispositivos distribuidos por la vivienda. Hoy en da hay buenos sistemas centraliza-dos y distribuidos, todos ellos con elevadas prestaciones. Ambas arquitecturas tienen susventajas y sus inconvenientes, lo cual a priori ayuda a decidir cual es la mejor solucinpara una vivienda.

A su vez existen dos tipos de sistemas centralizados que se basan en el tipo deconexin empleado:

1. Centrales cableadas: todos los sensores, actuadores, sirenas, etc, estn unidos pormedio de cables a la central, la cual es el controlador principal de todo el sistema.Esta tiene normalmente una batera de respaldo, para en caso de fallo del su-ministro elctrico, poder alimentar a todos los sensores y actuadores y as seguirfuncionando normalmente durante unas horas.

2. Centrales inalmbricas: en este caso usan sensores inalmbricos alimentados porpilas o bateras y transmiten va radio la informacin de los eventos a la central,la cual est alimentada por red elctrica y tiene sus bateras de respaldo.

1. Introduccin 3

3. Centrales mixtas: combinan el cableado con el inalmbrico.

Los orgenes de la domtica en Mxico deben buscarse a principios de 1990, cuandose empieza a hablar de este concepto, debido a las primeras iniciativas de promociones,la aparicin de los primeros sistemas electrnicos para la vivienda. No puede omitirsela desafortunada introduccin de esta disciplina en el sector de la construccin, lo quemotiv una cierta confusin y temor hacia su introduccin en promociones inmobi-liarias. Esta transicin poco afortunada fue consecuencia, en la mayora de los casos,de la introduccin en el mercado de sistemas domticos que no cumplan con las expec-tativas o necesidades aparentes de los usuarios. As mismo, esta primera etapa estabacaracterizada por:

1. Un gran desconocimiento de la domtica como disciplina, posibilidades y usos, ascomo por la presencia de un reducido nmero de entidades especializadas en estesector.

2. Una oferta reducida, en la que existan sistemas poco integrados, difciles de ins-talar y de utilizar por parte del usuario final y con un coste excesivo.

3. En algunas ocasiones, los sistemas disponibles en el mercado se basaban en pro-ductos diseados y fabricados para otros mercados por ejemplo europeos, concaractersticas muy concretas y distintas.

4. Ausencia de normativa que regulara la instalacin de sistemas domticos enviviendas.

5. La ausencia de formacin para los instaladores elctricos.

6. La desafortunada difusin realizada por los medios de comunicacin, en especialla prensa escrita, al asociar esta disciplina con la ciencia ficcin, alejndose de lafinalidad y posibilidades de sta.

Los estudios iniciales de mercadotecnia crearon nuevas expectativas muy impor-tantes en el crecimiento del sector, y el potencial de la domtica en el ahorro energtico,confiabilidad y seguridad. Sin embargo, este mercado aun no a vencido varias expecta-tivas por diversos motivos, entre ellos la propia situacin por la que pas el sector de laconstruccin. A pesar de ello, esta disciplina ha seguido una evolucin prcticamenteconstante, aunque lenta. Prueba de ello son, entre otros muchos, los siguientes aspectos:

1. Se han creado nuevas empresas que operan de forma exclusiva en el sector.

2. El mercado se ha regulado de forma automtica, desapareciendo aquellos produc-tos que no cumplan con las expectativas y necesidades de los usuarios.

43. Los costos de algunos productos del mercado de nuevo diseo se han reducido conrespecto a las primeras iniciativas. El desarrollo de este mercado y el conocimientode las necesidades reales de los usuarios debe permitir el rediseo de productos,optimizando el costo.

4. Desde las primeras promociones inmobiliarias, que incluan un buen nmero desistemas y aplicaciones con cierto grado de dificultad de uso, se han llevado acabo nuevas promociones, en todo el territorio nacional, con mejores prestacionesy con menor dificultad de uso.

5. Creacin de una asociacin en domtica, se denominada CMDOM (Comit Me-xicano para la Gestin Tcnica de Viviendas y Edificios), destinada a impulsar eldesarrollo de este mercado en Mxico.

6. A lo largo de estos ltimos aos se han venido realizando numerosas conferenciasy seminarios en distintos foros, ferias, certmenes, etc., destinados a difundir ladomtica. han sido apareciendo, en la prensa generaliza y especializada, diversosartculos que ya no utilizan el tono poco afortunado de las primeras reseas, enlas que se asociaba el concepto de domtica a imgenes futuristas de casas, fuerade los lmites razonables actuales.

El grado de desarrollo actual de la domtica en nuestro pas es considerable, sobreto-do si se tiene en cuenta su reciente historia. Es posible destacar hoy la existencia de unaveintena de sistemas domticos y de un buen nmero de productos con prestacionesdomticas para el hogar que evidencian la evolucin seguida por este mercado.

A pesar de que se trata de un nmero no muy elevado, se estima como muy significa-tivo dada su novedad. La oferta actual se caracteriza por ser suficientemente atractivay por adaptarse a cualquier tipologa de vivienda, ya sea existente o de nueva construc-cin.

GNOME Bluetooth control remoto es un proyecto de software nunca antes realizado,es por esto que quizs su comprensin inicial sea un poco difcil de obtener. Es poresto que con el fin de ubicar al lector en el marco terico del proyecto desarrollado,a continuacin se presentan algunos escenarios tpicos donde se puede apreciar el usopotencial de GNOME Bluetooth control remoto como tal:

1. Mientras se reproduce material multimedia en la computadora, como videos, msi-ca e imgenes y donde el usuario necesite tener un frecuente contacto retroalimen-tativo con la aplicacin encargada de la reproduccin, como avanzar en el tiempodel video en curso, aumentar el volumen de la cancin, avanzar a la siguienteimagen.

2. En una platica usando el software de presentaciones de diapositivas que aceptalos eventos bsicos por parte del relator como el iniciar la presentacin; click delmouse o la tecla avanzar pgina para avanzar en las diapositivas; click derecho o

1. Introduccin 5

la tecla retroceder pgina para retroceder en las diapositivas ya vistas; terminarla presentacin. Como se puede apreciar el usuario debe estar constantementeinteractuando directamente con el mouse o con el teclado.

3. En cualquier situacin genrica donde no se pueda tener un acceso fsico total alos dispositivos de mouse y/o teclado.

Con la integracin de GNOME Bluetooth control remoto a las situaciones cotidi-anas anteriormente mostradas, stas no cambian su objetivo principal de ejecucin dela aplicacin, sino que cambia el mtodo de realizarlas, as GNOME Bluetooth controlremoto ofrece al usuario final la posibilidad de tener toda la funcionalidad de un dis-positivo de mouse o teclado en la palma de su mano a travs de un telfono celularrepresentado como un control remoto.

Esto ofrece claramente una disposicin, fsicamente hablando, libre de movimientopor parte del usuario final, mayor comodidad y elegancia.

Por otro lado no solo se presentan problemas de automatizacin en las industriassi no tambin en la vida cotidiana de todos nosotros principalmente en nuestros ho-gares, algunos de estos problemas pueden ser: la inseguridad, la incomodidad familiar.Desafortunadamente los circuitos de control que se han aplicado para dar solucin aesto, presentan problemas de aplicacin y mantenimiento principalmente y algunos sonpoco flexibles en el mercado nacional.

Dar seguridad y bienestar a una casa habitacin siempre ha sido costoso, pero elahorro de recursos a veces puede ser perjudicial ya que implica proporcionalmente areducir la inseguridad del sistema, el reducir la complejidad sin reducir la seguridadsiempre ha sido la meta buscada por los desarrolladores de circuitos y sistemas deseguridadm, la cual han hecho ya sea buscando tcnicas de optimizacin o bien creandocircuitos especiales para tal fin.

Gracias al inters que se tiene actualmente en la domtica, este trabajo de tesisse centra en una etapa fundamental como lo es la automatizacin de una ventana. Acontinuacin se plantea el problema a tratar.

1.1. Planteamiento del problema

Cmo hacer el control remoto y automatizacin de una ventana del tipo comercialde desplazamiento horizontal de tal manera que est al alcance de los hogares.

1.2. Hiptesis

Es posible controlar los accesos de una casa habitacin mediante un control remotohaciendo uso de tecnologa de bajo costo.

6 1.3. Objetivos de la tesis

1.3. Objetivos de la tesis

Generales

Disear, desarrollar e implementar un circuito electromecnico para el control y laautomatizacin de una ventana comercial que se desplaza de manera horizontal.

Particulares

Los objetivos particulares son:

1. Instrumentar un mecanismo mecnicos y elctrico a una ventana que se desplazade forma horizontal.

2. Disear circuitos que sean confiables para la automatizacin de ventanas.

3. Desarrollar circuitos electromacnicos que cumplan con todas las normas que rigena la domtica.

4. Implementar los circuitos desarrollados para la automatizacin de un prototipode una ventana.

1.4. JustificacinEn nuestra vida cotidiana se presentan muchos problemas sociales y econmicos,

sin embargo, uno de los problemas ms importantes que presenta el ser humano es laincomodidad e inseguridad familiar que existe en nuestra sociedad, ya que cada da sehace ms difcil vivir con tanta inseguridad que existe en nuestra sociedad, sin embargo,no slo es considerado un problema sino tambin la incomodidad en el hogar, que dealguna manera se estn empleando en la actualidad. Es un hecho que la calidad devida actual es muy superior a la de un par de generaciones anteriores pero an as seseguir con muchos problemas, algunos de estos pueden ser: el control de temperaturaen el hogar, la iluminacin, el uso de alarmas, control total de fugas de gas y de agua,control total de ventanas. Cuntas veces en casa se complica de alguna manera tenerque cerrar todas las ventanas de las habitaciones y de la casa en general y mas an siestas se encuentran en un lugar muy incmodo para poder estar abriendo y cerrandocuando nosotros queramos o inclusive cuando la casa se queda deshabitada y se nosolvide cerrar alguna de las ventanas de la casa, esto provoca que la casa est inseguraprovocando as que puedan entrar personas ajenas.

Los sistemas domticos presentan diferentes ventajas las cuales se describen a con-tinuacion:

1. Protege el hogar y la familia: simula la presencia cuando no esta. Se enciendentodas las luces con slo un botn. Tambin trabaja con los sistemas de alarma

1. Introduccin 7

mas extendidos. Controla y comprueba el estado de la casa a distancia, se abre ycierra una ventana.

2. Aade valor a la propiedad calidad de vida: se piensa en todas las operacionesrutinarias que se hacen todos los das. Se entra, enciende la luz de la entrada, luegola de la habitacin, se apaga la de fuera, se enciende el bao, etc. Se imaginaque la televisin no tuviera control remoto?. Recuerda cuando abra las puertasdel coche con la llave?. Y cuando se suben las ventanillas a mano?. Se gasta unmontn de dinero en algo que solo se disfruta cuando se usa el coche. En cambioen el hogar se puede disfrutar de las mismas comodidades tanto uno como lafamilia durante todo el da. Al fin y al cabo uno no vive en el coche. (Aunque aveces se lo parezca).

Una casa con un sistema domtico se cotiza mas alto en el mercado inmobiliario.La casa es mas fcil de vender. Incorpora caractersticas nicas que no tiene lacompetencia. Es un valor aadido que le da mayor categora.

3. Ahorro de energa: aadir inteligencia a la casa, adems de ahorrar energa, lahace mas respetuosa con el medio ambiente. Todo el mundo tiene claro que loscristales dobles ahorran energa. Pues de igual forma, un sistema que supervisay controla las luces y electrodomsticos apagndolos cuando no son necesariostambin ahorra energa.

Una ventana automtica es considerada una parte de un sistema domtico. La pro-puesta de esta tesis es aportar una solucin en la automatizacin de ventanas.

1.5. AportacionesLas aportaciones que se dan en esta tesis son bsicamente del tipo tecnolgicas y

son las siguientes:

1. Acoplamiento de un sistema mecnico de apertura para una ventana comercial.

2. Diseo de interfaz con estndares internacionales que rigen a la domtica.

3. Integracin entre la etapa de potencia y el circuito receptor.

1.6. AntecedentesExisten dos empresas CASADOM y DOMO en Espaa que se dedican a realizar

sistemas domticos, estos sistemas controlan principalmente persianas, toldos, puertas yventanas. La ventana que construyen estas empresas est controlada por la temperaturainterior o la situacin climatolgica del exterior, esto permite que la ventana se cierre o

8 1.7. Organizacin del documento de tesis

se abra cuando los sensores de temperatura as lo requieran, estos sistemas no manejansensores que que dependan de la posicin de la ventana, a diferencia de la ventana quese presenta en esta tesis los sensores no dependen de la temperatura si no de la posicinde la ventana para que puedan activarse [22].

La empresa CASADOM la cual se encarga de automatizar edificios y casas, realizala automatizacin de ventanas tanto para los edificios como para las casas utilizandomotores de poca potencia y de pasos, esto presenta un pequeo problema donde lavelocidad del cierre y apertura de la ventana es lenta y pueda tener consecuenciascomo que no cierre rpido y se meta el agua de la lluvia. En el caso de la ventanaque se automatiza en sta tesis el motor que se utiliza es del doble de potencia que losque utiliza CASADOM y es de corriente directa demas de presentar dos velocidadesdiferentes dependiendo lo que requiera el usuario[23, 24, 26].

En las instituciones de educacin CONALEP/CETIS 131 profesores y alumnos de lacarrera de electrnica, realizaron una maqueta de una ventana y puerta automatizadas.En el caso de la ventana la controlan con un motor de CD de 4 volts que a su vez escontrolado por medio de huella digital, sin embargo presenta problemas en el momentode querer abrirla pues la huella no siempre era reconocida, a comparacin con la ventanaautomtica que se presenta en sta tesis es que es controlada por medio de un controlde radiofrecuencia a una distancia de 20m[23, 25].

La empresa Canarias se encarga de adaptar diferentes sistemas domticos a untablero el cual es llamdo Marco y pueden conectarse cientos de sistemas que el controlay lo puede hacer por medio de infrarrojo y por radiofrecuencia. Sin embargo el Marcoes muy caro lo cual no sera factible para controlar un solo mecanismo en ste caso laventana automtica[28].

En las empresa Proymetal y BTicino Quintela de El saladar Alemania, automatizaventanas portones y puertas utilizando un mecanismo de control simple, es decir; con-trolan a los mecanismos por medio de interruptores localizados a una cierta distancia,los interruptores pueden ser individuales o pueden ir a una central, donde son manipula-dos por el usuario. Este tipo de sistemas de control son fciles de instalar a comparacincon el control que se presenta en sta tesis donde el mecanismo es controlado a travsde un control remoto de radoiofrecuencia[29, 30].

En la ciudad de Mxico se encuentra una empresa llamada Studio electrnica que seencarga de distribuir componentes electrnicos, entre esos componentes se encuentrandispositivos para poder automatizar una ventana, sin embargo sta empresa no se dedicaa realizar sistemas domticos terminados [27].

1.7. Organizacin del documento de tesis

En la Figura 1.2 se muestra el diagrama a bloques de las etapas desarrolladas parala automatizacin de la ventana. Donde cada una de ellas es descrita en el cuerpo deesta tesis de la siguiente manera:

1. Introduccin 9

Figura 1.2: Diagrama esquemtico del proceso de automatizacin de la ventana.

En el Captulo 2, se exponen algunos de los principios bsicos de control remotoy automatizacin, empezando por algunas definiciones hasta llegar a una explicacinconcreta de lo que es control remoto (transmisor-receptor).

El Captulo 3, se dan algunas ideas de como conseguir o adquirir en el mercadolos diferentes componentes que se van a utilizar para la implementacin de los cir-cuito de control y automatizacin, as tambin se dan los principios bsicos de circuitosplenamente resistivos, as como los tipos de modulacin y conceptos de recepcin ytransmisin.

El Captulo 4, se presenta la instrumentacin de la ventana, se estudia cmo colocarsensores en ventanas para sensar su posicin abierto-cerrado y por medio de un meca-nismo poder manipular la posicin de la ventana desde un control remoto, asi como loscalculos para el diseo de la antena.

En el Captulo 5, se da la etapa de potencia para mover el motor (driver), etapade recepcin y la etapa de control

En el Captulo 6, se presenta el prototipo de la ventana automtica describiendo

10 1.7. Organizacin del documento de tesis

paso a paso la forma y la manera en que se desarrollo adems se presenta un proce-dimiento para dar mantenimiento a todo el sistema electromecnico .

Finalmente en el Captulo 7, se dan las conclusiones en base a resultados obtenidos.

Captulo 2

Lo bsico de automatizacin

El objetivo de este captulo es presentar las ideas bsicas tanto mecnicas comoelctricas en la automatizacin de ventanas.

La organizacin de este captulo es la siguiente: en la Seccin 2.1 se presenta unaintroduccin al control remoto y automatizacin. En la Seccin 2.2 se da una lista deposibles aplicaciones a desarrollar para la automatizacin de una casa, haciendo nfasisen la automatizacin de ventanas. En la Seccin 2.3 se presenta una introduccin alos mecanismos de control y adems de las consideraciones que se tienen que tomarpara poder realizar un mecanismo que cumpla con todos los requerimientos necesarios,desde los clculos hasta el uso adecuado de palancas. En la Seccin 2.4 se presentauna introduccin a la implementacin del correcto uso de motores y se dan algunasaplicaciones bsicas, se analiza a grandes razgos el funcionamiento interno de los motoreshasta su funcionamiento general, tambin se presenta una introduccin de motores apasos, desde su uso prctico hasta una aplicacin en particular. En la Seccin 2.5 sepresentan algunos de los sensores mas prcticos y utilizados en los sistemas de controladems de las diferentes aplicaciones que se pueden llevar acabo. La Seccin 2.6 se dauna breve introduccin de los circuitos integrados digitales haciendo nfasis en el usode compuertas lgicas adems de presentar las diferencias entre las tecnologas TTL yCMOS. Finalmente, en la Seccin 2.7 se presentan algunos comentarios de ste captuloadems de dar algunas referencias.

2.1. Introduccin

Lo primero que se necesita hacer es definir que significa control remoto y automati-zacin. Control remoto se refiere a un sistema que permite una accin en un rea paraser controlada de una locacin separada, puede tener uno o ms alambres interconecta-dos. Automatizacin se refiere a un sistema que puede operar parcial o totalmente sinel control o la supervisin de un humano. En aplicaciones prcticas, la distincin entreestos dos conceptos es algo confusa. La meta de ambos es similar. La idea es reducir,el esfuerzo humano. El control remoto y la automatizacin ofrecen mejoras sobre el

11

12 2.1. Introduccin

control manual [6].

Automatizacin

La automatizacin elimina la necesidad de un operador humano. Muchos sistemaspueden ser establecidos para efectuar algunas o todas sus funciones automticamente,sin la supervisin de un humano. Una lavadora se controla por si misma de un ciclo alsiguiente esto es un ejemplo de sistema de automatizacin en lazo abierto.

Figura 2.1: Algunos lazos abiertos de sistemas automatizados incorporan un tempo-rizador.

Tpicamente los sistemas de automatizacin deben emplear presets. En un sistemade lazo abierto, el controlador, no pone atencin al estado del mecanismo de control,muchos sistemas de lazos abiertos incluyen un temporizador(reloj), como se muestra enla Figura 2.1. Un ejemplo tpico son los semforos, estar prendido o apagado al especi-ficar el tiempo preestablecido en el temporizador, se nota que el temporizador puedeno checar si la luz esta ya prendida o apagada. Este slo enviar implcitamente unaseal de control al tiempo preestablecido. Este tipo de sistema no puede reaccionar acualquier falla en el sistema. En un sistema de lazo cerrado, la condicin del mecanismode control es monitoreado por un controlador. Un sistema tpico de lazo cerrado es untermostato como se ilustra en la Figura 2.2. La temperatura de la sala es monitoreadacontinuamente con el termostato. S la temperatura baja o cae en un punto preestable-cido el termostato dice a la caldera que es su turno, la caldera u horno genera calordentro de la sala, cuando la temperatura detectada por el termostato rebasa el nivel,el termostato ordena a la caldera bajar de nivel. En otras palabras, la produccin totales controlada por el mecanismo (calor de la caldera), es monitoreado por el controlador(termostato). La operacin es cclica por lo que es llamado sistema de lazo cerrado[6, 14].

La seal que retorna y recibe el monitor, es comparada con la seal que tiene elmonitor actualmenmte, a la diferencia entre estas dos seales se le llama error de seal.

2. Lo bsico de automatizacin 13

El sistema tratara de mantener el error de voltaje a un nivel especfico para ser arregladoy automticamente corregir y desviar (error) de la norma, en la Figura 2.2 se muestraun sistema en lazo cerrado.

En algunas aplicaciones, un sistema de lazo abierto har el trabajo bien. En otrasaplicaciones, un sistema de lazo cerrado puede ser requerido. Porqu no usar un sistemade lazo cerrado todo el tiempo?. Por una cosa, este sistema tiende a ser ms complejoy caro que un sistema de lazo abierto. Si no se necesita monitorear el mecanismo acontrolar, Porqu molestarse?.

Figura 2.2: Un termostato es un ejemplo de un sistema automatizado en lazo cerrado.

El sistema de lazo cerrado debe ser diseado cuidadosamente para prevenir inesta-bilidad u oscilacin, como un ejemplo, al considerar un termostato en un cuarto muylargo. El termostato se localiza a una distancia del registro de la caldera, cuando latemperatura cae, el termostato ordena a la caldera que genere ms calor, pero tomarun poco ms de tiempo hacer que el calor se expanda por todo el cuarto. Despues decierto tiempo la temperatura cerca del termostato es suficiente para apagar el horno ola caldera, pero el rea cerca del registro de la caldera ser demasiado caliente. Igual-mente cuando el horno o caldera baja su temperatura, la temperatura empieza a caeren el cuarto, tal vez un poco antes de que el termostato note el cambio y prenda elhorno o caldera. El trabajo total del termostato es mantener una temperatura, pero lainestabilidad del sistema descrito aqu da como resultado un cuarto que es demasiadofro o demasiado caliente, nunca generando un termino medio.

Control remoto simple

Virtualmente todos los controles remotos estn hechos en tres secciones:

1. El control remoto local es un interruptor o interruptores. ste esta manualmenteactivado. La informacin del interruptor es transmitida a travs de un medio para

14 2.1. Introduccin

controlar el aparato o mecanismo. Hay que darse cuenta que en algunos sistemasde control remoto, la seal que se transmite no necesariamente es por cables. Lainformacin del interruptor podra ser transmitida como rayos de luz, ondas desonido u ondas de radio.

2. El mecanismo de control, por supuesto es cualquier driver como se observa en laFigura 2.3.

3. En la mayora de los casos un indicador de algn tipo puede ser necesario. Enla mayor parte de los controles remotos de aplicacin el operador no es capazde observar el mecanismo de control. Los indicadores son usados para decirle aloperador la condicin de la corriente en el mecanismo de control. Por ejemplo, unindicador (LED) sobre el panel de control podra iluminarse o encenderse paraindicar que el mecanismo de control esta recibiendo energa como se observa enla Figura 2.3.

El sistema del control remoto va de lo simple a lo complejo. Una aplicacin simple estratada en tres maneras distintas. La luz puede ser encendida o apagada desde un con-trol remoto local. La energa del cable se extiende simplemente, as que el interruptorpuede ser localizado donde nosotros queramos. Esto es propiamente llamado interrup-tor remoto en vez de control remoto. La energa del mecanismo de control es llevadocorrectamente o directamente al punto de control. El interruptor puede ciertamente sertil este es comnmente usado en sistemas simples.

Figura 2.3: Elementos de un control remoto.


Figura 2.4: Diferentes acercamientos a las aplicaciones de control remoto simple.

Por ejemplo en la mayora de los circuitos de las casas la luz exterior se controla porun interruptor desde adentro de la casa. sta es una forma del interruptor a controlremoto. En muchas aplicaciones el interruptor a control remoto no es prctico o simple-mente no se desea. Si la distancia del control iniciador al mecanismo de control es muygrande, el interruptor o control remoto podra ser estorboso. Los cables de alto voltajenecesitaran ser atados entre los dos mecanismos, porque el alto poder de la corrientefluyendo entre las lneas de seal siempre tienen el riesgo de producir un incendio o unadescarga elctrica [6].

Mientras el interruptor a control remoto esta perfectamente adaptado en algunasaplicaciones, en otras aplicaciones se podra preferir un control remoto directo, es decirsin relevador como se observa en la Figura 2.4 A). En un sistema de control remoto, elsistema de suministro completo no es llevado a travs de lneas de seal. nicamente unapequea seal de voltaje es transmitida del control iniciador al mecanismo de control

16 2.2. Sistemas de control y sus aplicaciones

por medio de un relevador como se muestra en la Figura 2.4 B).La aproximacin bsica a un control remoto real es usado con un revelador. Un

cable mucho mas ligero se necesitara para la seal de transmisin. (El cable puede sereliminado en conjunto en algunos sistemas). Agregar interruptores mltiples al controlremoto es mucho mas fcil que con un sistema de interruptor a control.

En la Figura 2.4 C) se muestra un circuito mejorado, el cual incluye un relevador,por lo que ahora no se requiere transmitir una seal en forma continua, una pequeapulsacin es suficiente para para abrir o cerrar el revelador como se observa en la Figura2.4 B). El revelador se ajusta por s mismo dentro de un nuevo estado hasta recibir otrapulsacin del control, esto reduce el poder del drenado y baja la lnea de seal delrequerimiento igual que el mejoramiento adicional.

En el circuito del inciso C agrega una luz indicadora al control remoto local. La luzinterna se enciende cuando lo hace la luz externa, no es necesario mirar por la ventanao salir para ver si la luz esta encendida como se puede observar en la Figura 2.4 C).

2.2. Sistemas de control y sus aplicacionesCasi cualquier cosa puede ser candidato para un control remoto o sistema de autom-

atizacin. Considerando las necesidades especficas y el uso de la imaginacin, se harnlas adaptaciones necesarias para lograr los requerimientos de las aplicaciones especfi-cas. La teora de control moderno dice que se tiene que construir y describir el sistemade proyecto exactamente, sin embargo s se usa la imaginacin y algunos pensamientoslgicos, muchos de estos circuitos pueden ser usados en diferentes aplicaciones. Un sim-ple ejemplo es, un circuito para controlar la luz de un foco podra tambin ser usadopara controlar una lamina de calor, asumiendo que la capacidad en la corriente delcircuito no debe excederse. Se debe ser capaz de usar las mismas tcnicas, que se hanusado para abrir una puerta automtica o disear un brazo robtico.

Por supuesto que un mecanismo elctricamente alimentado es obviamente una apli-cacin potencial del control. Algunos controladores tpicos de electricidad a controlremoto y automatizaron incluye ciertas aplicaciones como las siguintes:

1. Encendido y apagado de luz externas.

2. Apagado y encendido de luces internas.

3. Nivel de descarga.

4. Ventiladores.

5. Aire acondicionado.

6. Calentadores y hornos (calderas).

7. Encendido y apagado del estreo y radio.


8. Volumen del estreo y radio.

9. Encendido y apagado de la T.V.

10. Volumen de la T.V.

11. Seleccin de la estacin de radio, estreo y T.V.

12. Sistema de intercomunicacin.

13. Alarmas contra incendios y ladrones.

14. Cafeteras elctricas, hornos.

15. Calentadores de agua.

Por supuesto que esta lista podra continuar y continuar.Las aplicaciones menos obvias incluyen la manipulacin fsica de algunos objetos,

tales como:

Abrir y cerrar la puerta de la entrada de la casa.

Abrir y cerrar ventanas.

Abrir y cerrar puertas.

Abrir y cerrar cortinas o persianas.

Cerraduras.

Bomba del pozo.

Para mejores resultados se debe disear un sistema de control maximizando su flexi-bilidad. Un buen diseo que permita agregar nuevas caractersticas indefinidamente. Seempieza con algo relativamente simple, primero controlar una o dos funciones especifi-cas, despus se puede agregar tantas funciones como se quiera y se pueda suministrar.Se empieza planeando un sistema demasiado complejo, es casi seguro que se tendrnproblemas. Los gastos iniciales pueden ser muy altos el proyecto podra ser tambinalgo intimidante en su totalidad y tal vez nunca se completar [6].

El sistema ms complejo arrastrar tambin errores. Por otro lado si se empieza untrabajo simple, y trabaja slo con una funcin a la vez, puede asegurar que se trabajarperfectamente antes de pasar a la siguiente funcin, lo importante o lo principal delcontrol remoto o automatizacin es hacer las cosas ms sencillas.

18 2.3. Mecanismos empleados

2.3. Mecanismos empleadosLos interruptores elctricos y an los cambios en los voltajes y resistencias son sin

lugar a duda diferentes elementos de control. Algunas operaciones que son controladaspor seales elctricas son probablemente una buena eleccin para control remoto oautomatizacin.

Pero otros mecanismos mecnicos pueden no ser elctricamente controlados. Se deseaabrir una puerta automtica, la puerta no es controlada elctricamente por si misma,algn tipo de electricidad o energa mecnica necesita ser transformada.

Algunos lectores de esta tesis probablemente se enfrentaran con grandes problemasal intercalar el mecanismo. El circuito o los componentes elctricos generales no sontan complejos, pero las ideas mecnicas bsicas en algunos sistemas de control puedenser muy poco familiares para la mayora. Por lo tanto en este captulo se examinan losprincipios bsicos de dinmica, motores y poleas.

El primer paso para disear un sistema mecnico de la misma manera que un circuitoelctrico, es definir el propsito.

Qu es exactamente lo que se quiere que haga el sistema?

Qu se quiere mover?

Qu tan pesado es?

Qu tan lejos se debe mover?

Qu tan rpido se debe mover?

Para resolver estas interrogantes se necesita usar algunas unidades estndar de me-didas.

Qu es lo que se quiere mover?. Las medidas cuantitativas no son necesarias en estapregunta, todo es puramente descriptivo. Qu tan pesado es?. Se utiliza la libra (lb)como medida estndar, aunque los gramos (g) podran ser utilizados tambin. Qu tanlejos debe moverse?. Otra vez se tiene que elegir una medida estndar de distancia, elsistema mtrico o el Sistema Ingls, se puede emplear los pies(ft) como nuestra medidaestndar.Qu tan rpido se debe mover?. La velocidad es distancia sobre tiempo, sepuede definir la velocidad en trminos de pies por segundo(ft/seg). Cunta potencianecesita para lograr el movimiento deseado?. Esta es probablemente la pregunta mssignificativa al momento de hacer un diseo.

Ejemplo 2.1. Se necesita levantar un peso de 20 libras, forzosamente se debe aplicaruna fuerza y hacerlo en direccin ascendente, se necesita saber qu tan lejos debe sermovido el peso, obviamente se necesitara ms energa para levantar 10 pies que paralevantar el mismo peso pero en 5 pies.

La velocidad es definida por la distancia entre el tiempo, de manera similar la energamecnica o fuerza puede ser medida utilizando peso proporcional a la distancia, la fuerzaes medida en pies-libras (ft-lb).


La frmula es demasiado simple:

Fuerza = peso distancia [libras pies]. (2.1)

Para levantar nuestras 20 lb de peso y 10 ft se necesita multiplicar 20*10=200 pies-libras de energa. La potencia incluye velocidad y una fuerza, obviamente tomara msenerga mover 20lb de peso en 10 ft en un segundo que en 90 segundos, quedando definidopor:

Potencia =fuerza

tiempo[pies libras

seg]. (2.2)

Regresando al ejemplo de levantar 20 lb de peso en 5 seg. Ya se calculo que la fuerzaes igual a 200 pies-libras as que:

Potencia =200

5= 40

pies librasseg

. (2.3)

Pies-libras por segundo son medidas de potencia claras y tiles. Sin embargo, existenotras medidas estndar. La energa elctrica se mide en watts.

1watts = 0.7376pies libras

seg.

1pie libra

seg= 1.356 watts.

Existe otra medida estndar de potencia, los caballos de fuerza (hp), comunmenteutilizada para definir la potencia de los motores. La relacin entre estas unidades sonlas siguientes:

1watts = 0.00134 caballos de fuerza (hp).1hp = 746 watts.

1pie =libra

seg= 0.0018 hp.

1hp = 550pies libras

seg.

El tipo de sistemas mecnicos cumplen las condiciones del ejemplo anterior en unamquina. En este contexto la palabra mquina tiene un significado despreciativo alque se ha usado aqu. Una mquina es un mecanismo que transforma la magnitud odireccin de una fuerza mecnica [6].

Trabajar con cualquier mquina es vital para recordarnos la ley de conservacin dela energa. La energa no se crea ni se destruye solo se transforma.


La proporcin de la fuerza extendida hacia la fuerza aplicada es llamada ventaja obeneficio mecnico. Este es un concepto importante, el cual es analizado ms adelante.

Una de las mquinas ms simples es la palanca. En la Figura 2.5 se muestran lastres partes bsicas de una palanca.

Brazo de poder (inicio) aqu es donde la energa es aplicada.

Apoyo. Este es el soporte de la palanca.

Brazo de peso. Aqu es donde se aplica la energa.

Figura 2.5: Elementos de una palanca simple.

Se puede dividir la palanca en dos secciones. La distancia del inicio al apoyo es elbrazo de potencia o brazo de fuerza. La distancia del apoyo a la salida en el brazo decarga o el brazo del peso.

La longitud relativa al brazo de potencia y el brazo de carga determina la ventajamecnica dada por:

ventaja mecnica =longitud del brazo de potencialongitud del brazo de carga

(2.4)

Por ejemplo si el brazo de potencia es 4 veces ms que la longitud del brazo de peso,entonces:

ventaja mecnica =4

1= 4 (2.5)


La fuerza de salida ser 4 veces mas, que la fuerza de salida normal, pero Esta noes una alteracin a la ley de conservacin de la energa?. Pero hay un precio que debeser pagado al incrementar la fuerza, la fuerza de salida debe ser movida 4 veces tan lejoscomo se quiera que se mueva la energa de salida. La energa proporcional de la fuerza yla distancia se puede ver que la potencia de salida es la misma de la entrada. (La fricciny otras perdidas son ignorados aqu para mayor simplicidad). Generalmente cuando sepiensa en una palanca se cree que es una palanca de primer orden. Este es el tipo quese muestra en la Figura 2.5. El apoyo se encuentra entre la fuerza inicial y la de salidaeste tipo de palanca tambin representa o acta en una direccin de transformacin.La fuerza de salida se mueve en una direccin opuesta a la de entrada. Esta palancaes usada para aumentar la fuerza usada al mover el objeto en la fuerza de salida ocambiar la distancia de la fuerza de salida al mover los objetos. Otros tipos de palancas

Figura 2.6: Palanca de segundo orden.

son tambin posibles gracias al reordenamiento en la posicin de componentes. En unapalanca de segundo orden la fuerza de salida se encuentra entre la fuerza de entrada yel apoyo como se muestra en la Figura 2.6. La fuerza de salida siempre es ms grandeque la fuerza de entrada en estos tipos de palancas. Por supuesto esto significa, que lafuerza inicial siempre debe mover mas distancia, que en la de salida. En una palancade segundo orden, el movimiento de la fuerza inicial y la de salida siempre irn en lamisma direccin [8].

Hay un tercer arreglo llamdo palanca de tercer orden. En esta ocasin la fuerzainicial se encuentra entre la fuerza de salida y el apoyo como se puede observar en laFigura 2.7. Esto opera de manera opuesta a la palanca de segundo orden. La fuerzainicial siempre es ms grande que la fuerza de salida, pero la fuerza de salida siempre


se mueve a mayor distancia que la de salida. Como en la palanca de segundo orden, lafuerza inicial y la de salida en la palanca de tercer orden siempre se mueve en la mismadireccin. Tomando en cuenta que fsicamente la palanca de segundo y tercer orden

Figura 2.7: Palanca de tercer orden.

son iguales, la nica diferencia es la posicin de la fuerza inicial y la de salida. Otramquina simple que frecuentemente es til en las aplicaciones de control es la polea.Este sistema es utilizado para cambiar la direccin de la fuerza. Una fuerza pendienteo inclinada en uno de los extremos de la cuerda causa una fuerza ascendente al finaldel otro extremo como se muestra en la Figura 2.8.

Las poleas pueden ser usadas para aumentar una fuerza. Esto es nuevamente graciasa la ley de conservacin de la energa [17]. En una polea el sistema de tensin o fuerzaes el mismo en la cuerda completa. Las poleas mltiples pueden ser usadas para crearuna ventaja mecnica como se muestra en la Figura 2.9. Ya que la tensin es la mismaen todo el cordel, los 4 extremos de ste soportan el peso que ser aproximadamente 4veces la fuerza extendida sobre uno de los extremos (las prdidas de friccin desgastarnalgunas de las fuerzas iniciales, pero en la mayora de los casos, estas perdidas sernmnimas y pueden ser ignoradas)[2].

En un sistema mecnico prctico, ciertas perdidas pueden ser consideradas. Dos delos factores ms importantes son la friccin y la inercia. En un objeto o substancia unpoco de la energa ser consumida como calor en el punto de contacto. Esto se llama:friccin. Si se rueda un baln en una superficie lisa, eventualmente se detendr aun sino es golpeado por algo, debido a la friccin[5].

La friccin existe en todos los sistemas mecnicos. Existen friccin an en el aire anuestro alrededor, esta es la principal razn de porque una flecha se puede incendiar en


Figura 2.8: Una polea es otro simple mecanismo que es frecuentemente til en aplica-ciones de control.

un campo abierto mientras vuela gracias a la friccin debido a la fuerza de gravedad ycae al suelo.

En muchos sistemas de control la friccin no representa un problema significativo,en otros el sistema requerir un aumento en el abastecimiento de poder para hacer quela energa se pierda. En algunos sistemas sin embargo, la friccin puede ser un factormuy significativo limitando el movimiento causando el desgaste primitivo de algunaspartes o posiblemente se ocasionara un incendio.(Energa desgastada se convierte encalor debido a la friccin).

La inercia es una propiedad fsica que puede ser considerada como algo similar a laresistencia elctrica. El sistema mecnico tiende a resistir los cambios en el movimiento.Un objeto tiende apoyarse o permanecer apoyado, y un objeto en movimiento tiende aresistir cualquier cambio en la velocidad o direccin (incluyendo el detenimiento) s unobjeto esta en reposo, la fuerza requiere de iniciar el movimiento (ignorando la friccin)esto es:

Menores aceleraciones (velocidades) requieren menos fuerza. Esto permite usar unmotor mas pequeo y otros componentes (menor gasto). Un sistema mas lento tendera atener menos problemas de inclinamiento con menores crujidos o cordeles rotos, motoresatascados u otros problemas. En la mayora de las aplicaciones del control caseros, laalta velocidad al operarse no es una prioridad.

Clasificacin de poleas de acuerdo a su estructura

Polea simple . Una polea simple es, bsicamente, una polea que est unida a otrooperador a travs de su propio eje. Siempre va acompaada, al menos, de unsoporte y un eje:


Figura 2.9: Las poleas multiples crean muchas ventajas en los mecanismos.

El soporte es el que detiene todo el conjunto y lo mantiene en una posicinfija en el espacio. Forma parte del otro operador al que se quiere mantenerunida la polea en el caso de la ventana automtica es el aluminio.El eje cumple una doble funcin: eje de giro de la polea y sistema de fijacinde la polea al soporte (suele ser un tirafondo, un tornillo o un remache) enla ventana es un tornillo.

Polea de gancho . Es una variacin de la polea simple consistente en sustituir elsoporte por una armadura a la que se le aade un gancho; el resto de los elementosbsicos (eje, polea y dems accesorios) son similares a la anterior como se muestraen la Figura 2.10.

El gancho es un elemento que facilita la conexin de la polea de gancho con otrosoperadores mediante una unin rpida y segura. En algunos casos se sustituye elgancho por un tornillo o un tirafondo.

El aparejo de poleas (combinacin de poleas de cable y cuerda) se emplea bajo laforma de polea fija, polea mvil o polipasto:

Polea fija . Se caracteriza porque su eje se mantiene en una posicin fija en el espacioevitando su desplazamiento. Debido a que no tiene ganancia mecnica su nicautilidad prctica se centra en:

Reducir el rozamiento del cable en los cambios de direccin (aumentando assu vida til y reduciendo las prdidas de energa por rozamiento).


Figura 2.10: Polea de gancho.

Cambiar la direccin de aplicacin de una fuerza.

Polea mvil . Es aquella que va unida a la carga y se desplaza con ella.

Polipasto . Es una combinacin de poleas fijas y mviles. Debido a que tiene gananciamecnica su principal utilidad se centra en la elevacin o movimiento de cargas.La podemos encontrar en gras, ascensores, montacargas, tensores, etc.

2.4. MotoresLa mayora de la energa mecnica en los sistemas de control probablemente provienen

de algn tipo de motor. Un motor, por supuesto, es tambin otro tipo de sistema quetransforma la energa. ste convierte la energa elctrica (voltaje) en energa mecni-ca como movimiento rotatorio. Los motores siempre producen movimiento rotatorio(armaduras giratorias) y la velocidad rotatoria usualmente ser tan alta como paracontrolar las aplicaciones prcticas. La velocidad en un sistema de control debe usual-mente ser a su vez ms lento para aumentar la seguridad y reducir la energa querequiere. En esta seccin se explorar algunos significados de transformar la velocidaddel movimiento rotatorio de un motor a energa mecnica til. Un mtodo simple perotil de cambiar la velocidad del movimiento rotatorio del motor es usar una polea yuna banda de transmisin arreglada como se muestra en la Figura 2.11. Hay que tomaren cuenta que las poleas tienen diferentes tamaos muy significativos. Los dimetrosrelativos indican su velocidad relativa de rotacin. Por ejemplo, si la polea pequea esatada al eje del motor, la polea ms larga girar significativamente a un promedio masbajo. Las proporciones exactas puede ser calculadas muy fcilmente. El ascenso totalde la velocidad de reduccin es inversamente proporcional a los dimetros de la poleaesto es:

rpm1rpm2

=D2D1

(2.6)

26 2.4. Motores

Figura 2.11: Un polea y una banda son usadas para cambiar la velocidad del movimientode rotacin.

donde:

rpm1 = velocidad de la polea 1.rpm2 = velocidad de la segunda polea.D1 = dimetro de la polea 1.D2 = dimetro de la polea 2.

A continuacin se presenta un ejemplo donde se emplean las frmulas anteriores.

Ejemplo 2.2. Se supone que se tiene un motor con una velocidad rotatoria de 100 rpmy 1 in en el dimetro de la polea que se conecta al eje del motor. La otra polea tieneun dimetro de 4 in(pulgadas). Se conocen ya tres de los valores en la ecuacin, solo sehar una simple operacin algebraica para encontrar el cuarto:

100

rpm2=

4

1100

rpm2= 4

100 = 4 rpm2100

4= D2

La polea pequea realizar 100 revoluciones completas en un minuto mientras quela polea ms grande solo realizara 25. La polea ms grande rotar una vez de cuatro enpromedio que lo har la polea pequea. Para disear un sistema de control, usualmentese conoce la velocidad del motor y la velocidad deseada y se necesita encontrar el tamaode la polea apropiada. Por ejemplo un motor tiene una velocidad de 500 rpm. Se necesitabajar a 100 rpm. El primer paso es seleccionar arbitrariamente el tamao de la polea1. Se usar 1 otra vez slo porque ste es el valor conveniente, resultado:


500

100=

D21

500

100= D2

5 = D2

La segunda polea deber tener un dimetro igual a 5 in (pulgadas) si se requiereaumentar el movimiento rotatorio la polea 1 (atada al eje del motor) tendr un dimetroms grande que la polea 2. Las dos poleas deben ser cuidadosamente alineadas a la bandade subida de un lado de la polea y quitarla o sacarla prematuramente.

Las poleas y las bandas son buenos mtodos de transformar la energa mecnica deuna parte del sistema a otro. La banda es lo suficientemente flexible para absorber elmovimiento de la fuerza aplicada al motor. Otra ventaja es que si algo entorpece elsistema, la banda probablemente se romper o se deslizara. Esto no podra sonar comouna ventaja pero es ms simple reemplazar una banda que un motor quemado. Lasbandas y las poleas son muy buenas si se necesita energa mecnica en forma rotatoria(movimiento en crculo) pero en muchas aplicaciones prcticas (no en su mayora), senecesita movimiento lineal (lnea-recta) en vez de un movimiento rotatorio. Afortunada-mente es posible convertir movimiento rotatorio a movimiento lineal (y viceversa, si sedesea) aunque frecuentemente requiere de algo ms de ingenio.

2.4.1. Motores de CD

Un motor se relaciona relativamente como inductor bsico y transformador. sto seutiliza para convertir la energa elctrica en energa mecnica. Esto significa que unaseal elctrica atravez de un motor puede causar algn movimiento fsico. Un motor esuna aplicacin prctica de un campo electromagntico alrededor de cualquier bobinacuando pasa la corriente atravez de sta.

Hay diferentes tipos de motores, algunos son extremadamente pequeos, mientrasotros son relativamente grandes. Los motores pequeos pueden mover solamente pe-sos muy pequeos, mientras que los motores grandes pueden mover toneladas. Algunosmotores son diseados para funcionar sobre un voltaje DC y otros un voltaje AC comofuente de poder. Sin considerar todas estas diferencias todos los motores son bsica-mente iguales, al menos, en sus principios fundamentales de operacin.

Los motores de corriente directa son insuperables para aplicaciones en las que debeajustarse la velocidad, as como para aplicaciones en las que requiere un par grande. Enla actualidad se utilizan millones de motores de CD, cuya potencia es de una fraccinde caballo en la industria del transporte como: automviles, trenes y aviones, dondeimpulsan ventiladores, de diferentes tipos para aparatos de a/c, calentadores y descon-geladores: tambin mueven los limpiadores de parabrisas y accin de levantamiento de

28 2.4. Motores

asiento y ventanas. Son muy tiles para arrancar motores de gasolina y diesel en autos,camiones, autobuses tractores y lanchas.

El motor de CD tiene un estator y un rotor llamado armadura como se muestra enla Figura 2.12 . El estator contiene uno no ms devanados por cada polo, los cualesestn diseados para llevar intensidades de corriente directas que establecen un cam-po magntico. La armadura, y su devanado estn ubicados en la trayectoria de este

Figura 2.12: Motor de CD.

campo magntico y cuando el devanado lleva intensidades de corriente, se desarrollaun par-motor que hace girar el motor. Hay un comutador conectado al devanado de laarmadura, si no se utilizara un conmutador, el motor solo podra dar una fraccion devuelta y luego se detendra.

Para que un motor de CD pueda funcionar, es necesario que pase una intensidad decorriente por el devanado de armadura. El estator debe de producir un campo m (flujo)magntico con un devanado de derivacin o serie (o bien, una combinacin de ambos).

El par que se produce en un motor de CD es directamente proporcional a la inten-sidad de corriente de la armadura y al campo del estado. Por otro lado, la velocidadde motor la determinara principalmente la tensin de la armadura y el campo del es-tator. La velocidad del motor tambin aumenta cuando se reduce el campo del estator.En realidad, la velocidad puede aumentar en forma peligrosa cuando, por accidente,


se anula el campo del estator. Los motores de CD pueden explotar cuando trabajan avelocidades muy altas.

Clasificacin de motores de CD

Los motores de CD se pueden clasificar de la siguente manera segun su funcionamien-to:

Motor en serie un motor en serie es un tipo de motor elctrico de corriente continuaen el cual el devanado de campo (campo magntico principal) se conecta en seriecon la armadura. Este devanado est hecho con un alambre grueso porque tieneque soportar la corriente total de la armadura.

Debido a esto se produce un flujo magntico proporcional a la corriente de ar-madura (carga del motor). Cuando el motor tiene mucha carga, el campo de serieproduce un campo magntico mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsinmucho mayor. Sin embargo, la velocidad de giro vara dependiendo del tipo decarga que se tenga (sin carga o con carga completa). Estos motores desarrollanun par de arranque muy elevado y pueden acelerar cargas pesadas rpidamente.

Motor compound un motor compound (o motor de excitacin compuesta) es unmotor de corriente continua cuya excitacin es originada por dos bobinados in-ductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otroconectado en derivacin con el circuito formado por los bobinados inducidos, in-ductor serie e inductor auxiliar.

Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado delcampo shunt. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambregrueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura.

Motor shunt el motor shunt o motor de excitacin paralelo es un motor de corrientecontinua cuyo bobinado inductor principal est conectado en derivacin con elcircuito formado por los bobinados inducido e inductor auxiliar.

Motor sin escobillas un motor elctrico sin escobillas es un motor elctrico que noemplea escobillas para realizar el cambio de polaridad en el rotor.

Los motores elctricos solan tener un colector de delgas o un par de anillosrozantes. Estos sistemas, que producen rozamiento, disminuyen el rendimiento,desprenden calor y ruido, requieren mucho mantenimiento y pueden producirpartculas de carbn que manchan el motor de un polvo que, adems, puede serconductor.

30 2.4. Motores

2.4.2. Motores a pasos

Un tipo especial de motor que es particularmente de interes en el campo del controlremoto y automatizacin es el motor a pasos. Este tipo de motor consta de dos o msbobinas de posicin y un pivote magntico permanente como se muestra en la Figura2.13.

Los motores paso a paso son ideales para la construccin de mecanismos en dondese requieren movimientos muy precisos.

La caracterstica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un pasoa la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90 grados hastapequeos movimientos de tan solo 1.8 grados, es decir, que se necesitarn 4 pasos en elprimer caso (90 grados) y 200 grados para el segundo caso (1.8 grados), para completarun giro completo de 360 grados. Estos motores poseen la habilidad de poder quedar

Figura 2.13: Motor a pasos.

enclavados en una posicin o bien totalmente libres como se ilustra en la Figura 2.13.Si una o ms de sus bobinas est energizada, el motor estar enclavado en la posicincorrespondiente y por el contrario quedar completamente libre si no circula corrientepor ninguna de sus bobinas.

2.4.3. Servomotor

Un servo, o servomotor, es un dispositivo electromecnico utilizado principalmenteen robtica y en modelismo (aeromodelismo, automodelismo...etc) Tiene la capacidadde lograr y mantener una posicin, que se le indica por medio de una seal de control.

Posee nicamente tres lneas de entrada que son: tierra, vcc, y control. La lnea detierra, est conectada al negativo de la batera; la de vcc, al positivo; y la lnea de controlespera recibir un pulso positivo cada 20 milisegundos. Dependiendo de la duracin dedicho pulso, que puede variar desde 1ms hasta 1.75ms en la mayora de los dispositivos,


se determina la posicin que el motor debe alcanzar y mantener. A diferencia de losmotores paso a paso, los servos no consumen electricidad si se encuentran en la posicindeseada, a menos que exista una fuerza externa que trate de cambiarla.

2.5. SensoresLa mayora de los sistemas prcticos caseros requieren de algn tipo de sensor

mecnico para monitorear el mecanismo de control. Existen innumerables tipos de sen-sores, alguna condicin de una variable fsica puede ser elctricamente sensada, unejemplo de un sensor utilizado en los sistemas de control es un sensor magntico comoel que se muestra en la Figura 2.14. Por supuesto que las seales elctricas pueden sersensadas directamente. En muchas aplicaciones de control, slo se necesitar determinars el abastecimiento de voltaje alcanza la corriente del mecanismo de control. Obvia-mente esto puede ser sensado con un circuito simple que se apague (encienda) cuandoel voltaje este presente. Por ejemplo, un relevador, puede ser usado como un simplesensor de voltaje.

Figura 2.14: Un sensor magntico es muy til en las aplicaciones de control.

Muchos sistemas de control envuelven mecanismos de algn tipo. Esto significa quela posicin de la fsica a menudo necesita ser sensada. Generalmente la aproximacinmas fcil es usar un interruptor mecnico especial. Existen diferentes tipos de interrup-tores adecuados para el sensado de posicin.

Un interruptor de carga magntica puede ser usado para indicar la proximidad.Generalmente se utilizan en los sistemas de alarma contra ladrones para indicar siuna puerta o ventana esta abierta o cerrada. Este tipo de interruptor se ilustra en laFigura 2.15. Se divide en dos partes, una parte contiene un magneto permanente. Estaseccin es aplicada en el objeto movible (como una puerta). La otra parte contiene un

32 2.5. Sensores

interruptor de caa que responde al campo magntico. Esta seccin es aplicada paraun objeto fijo (como una puerta inicial), los cables conectan del interruptor al circuito.Cuando el magneto tiene cerca la proximidad del interruptor cierra sus contactos, (losabre dependiendo del diseo en especfico).

Figura 2.15: En la figura se muestra interruptor rpido que es utilizado para detectarmovimientos relativamente pequeos.

Otro interruptor que es muy til es la aplicacin sensorial mecnica es el interruptorde accin rpida como el de la Figura 2.15. Un nivel pequeo sobre el objeto para sersensada. Cuando el objeto se mueve, se mueve el nivel activando el interruptor. Estetipo de interruptor es diseado nicamente cuando se necesita que actue una fuerzamuy pequea.

Otro interruptor manual para la aplicacin mecnica es el interruptor de mercurio,este se bsicamente un tubo de cristal con dos electrodos internos que no se tocan unoscon otros.

El tubo contiene un pequeo globo de mercurio. Si el interruptor es posicionadode manera que el mercurio ruede hacia abajo ambos electrodos harn contacto (elinterruptor se cierra) como se muestra en la Figura 2.16. A veces el interruptor se abre.Este tipo de interruptor es til para la sensorizacin angular de posicin y a menudose llama interruptor inclinado.

Los interruptores son grandes para apagar-encender o si-no , usar los sensores. En al-gunos otros controles de aplicacin, se necesitan continuos monitoreos de las posicionesmecnicas. Interruptores mltiples pueden ser usados pero no son una solucin elegantey a menudo resultan caros por complejos. Algunas veces se puede usar el movimien-to mecnico que el monitor regrese a su eje de potencia mtrica. Esto resulta en unavariable de resistencia que corresponde a una posicin mecnica como se muestra en laFigura 2.17. Un simple voltaje dividido convierte al circuito a la variable de resisten-cia dentro de la variable de voltaje. Otro mecanismo de posicin mecnica continua.El voltaje cae por un diodo polarizado directamente que es mas o menos constante.(Alrededor de 0.7V por un diodo de silicio). Una cadena de diodos pueden ser usadoscomo precisin del voltaje dividido. La cadena esta hecha de dos partes. La primera es


Figura 2.16: Los interruptores de mercurio son usualmente utilizados porque se puedesensar ngulo. Este es un interruptor rpido que es utilizado para detectar movimientosrelativamente pequeos.

una cadena aislante que se extiende por el objeto que ser monitoreado (tal vez unapuerta abierta y cerrada). Al final de la puerta aislante una longitud de cables conduc-tores aislantes que terminan en un paso. Los alambres pasan a travs de una serie dearos unidos entre los diodos como se puede apresiar en la Figura 2.18.

Como el objeto se mueve el peso caer y se levantara de un extremo, el cable seconecta con todos los diodos. Cuando el objeto comienza a moverse fuera de este ex-tremo, el cordel cae hacia los anillos. Como el objeto se mueve mas all de la posicin delextremo original, los diodos son ms y ms removidos dando como resultado un voltajems largo. Muchos otros tipos de sensores estn disponibles para varios propsitos enespecial. La luz puede ser medida en fotoresistores, fototransistores o fotoceldas. Elsonido puede ser detectado con un micrfono y un simple circuito, (interruptor operadoatravez de la voz).

Un termistor es un componente que varia su resistencia en respuesta de la tempe-ratura ambiente. Diversos sensores de gas han sido puestos al mercado para servir comonariz elctrica.

2.6. Circuitos integrados digitales

En la actualidad los circuitos integrados son la base fundamental del desarrollo de laelectrnica, debido a la tendencia a facilitar y economizar las tareas del hombre. Por estoes fundamental el manejo del concepto de circuito integrado, no slo por aquellos queestn en contacto habitual con ste, sino tambin por las personas en general, debidoa que este concepto debe de quedar inmerso dentro de los conocimientos mnimos de

34 2.6. Circuitos integrados digitales

Figura 2.17: Un simple divisor con una resistencia variable puede introducir un voltajevariable.

una persona. Un circuito integrado es una pieza o cpsula que generalmente es desilicio o de algn otro material semiconductor, que utilizando las propiedades de lossemiconductores, es capaz de hacer las funciones realizadas por la unin en un circuito,de varios elementos electrnicos, como: resistencias, condensadores, transistores, etc[19].

Clasificacin de los circuitos integrados

Existen dos clasificaciones fundamentales de circuitos integrados(CI): los anlogos ylos digitales; los de operacin fija y los programables; en este caso nos encargaremos delos circuitos integrados digitales de operacin fija. Estos circuitos integrados funcionancon base en la lgica digital o lgebra de Boole, donde cada operacin de sta lgica esrepresentada en electrnica digital por una compuerta.

La complejidad de un CI puede medirse por el nmero de puertas lgicas que con-tiene. Los mtodos de actuales de fabricacin permiten construir CIs cuya complejidadest en el rango de una a 105 o ms puertas por pastilla.

Segn esto los CIs se clasifican en los siguientes niveles o escalas de integracin:

1. SSI (pequea escala): menor de 10 compuertas.

2. MSI (media escala): entre 10 y 100 compuertas.

3. LSI (alta escala): entre 100 y 10.000 compuertas.

4. VLSI (muy alta escala): a partir de 10.000 compuertas.


Figura 2.18: Cadena de diodos para sensar la posicin de movimientos mecnicos.

Familias lgicas

Los circuitos digitales emplean componentes encapsulados, los cuales pueden alber-gar puertas lgicas o circuitos lgicos ms complejos.

Estos componentes estn estandarizados, para que haya una compatibilidad entrefabricantes, de forma que las caractersticas ms importantes sean comunes. De formageneral los componentes lgicos se engloban dentro de una de las dos familias siguientes:

1. TTL: diseada para una alta velocidad.

2. CMOS: diseada para un bajo consumo.

3. La familia lgica ECL se encuentra entre la TTL y la CMOS. Esta familia nacicomo un intento de conseguir la rapidez de TTL y el bajo consumo de CMOS,pero en raras ocasiones se emplea.

2.6.1. Compuertas lgicas

Todos los circuitos lgicos digitales, desde el ms simple contador hasta el mssofisticado micro-procesador, son hechos interconectando simples bloques de construc-cin, llamados compuertas lgicas(logic gates).

36 2.6. Circuitos integrados digitales

Tabla 2.1: Diferencias de trabajo entre tecnologa TTL y CMOS.

Parmetro TTL TTL TTL Schot-tky de

Fairchild4000B

Fairchild4000B

Estndar 74L baja potenciaLS

CMOS conVcc=5V

CMOS conVcc=10V

Tiempo de propa-gacin de puerta

10 ns 33 ns 5 ns 40 ns 20 ns

Frecuencia mx-ima de fun-cionamiento

35 MHz 3 MHz 45 MHz 8 MHz 16MHz

Potencia disipadapor puerta

10 mW 1 mW 2 mW 10 nW 10 nW

Margen de ruidoadmisible

1 V 1 V 0.8 V 2 V 4 V Vcc

Hay cuatro compuertas bsicas, y ellas son diseadas de acuerdo a su funcin comoSI, NO, Y, O, o sea, las cuatro expresiones sencillas mnimas con las cuales se puederesponder a situaciones de la vida real. Cada una de estas compuertas bsicas tiene unao ms entradas, una sola salida, y una pareja de terminales para conexin a la fuentede poder(pilas, bateras, adaptador de corriente, etc.). En las compuertas bipolares,hechas con la misma tecnologa de los transistores comunes PNP o NPN, conocidascomo compuertas TLL, el voltaje de la fuente de alimentacin debe estar entre 4.75y 5.25 volts, por lo que popularmente se trabaja con el punto medio de este rango, osea 5 voltios Vcc. Las compuertas hechas con tecnologa CMOS son ms susceptiblesa daarse por la electricidad esttica debido al manipuleo mientras se instalan en elcircuito a ensamblar, pero luego permiten un rango bastante amplio en el voltaje dealimentacin: funcionan desde 3 Vcc hasta 15 Vcc [19].

En electrnica digital, ms concretamente en el sistema numrico binario, no sehabla de nmeros de tantas cifras, como en el sistema decimal, sino que se dice queuna palabra (word) de tantos bits. Word significa palabra en ingls, pero en este casose emplea ms bien como sinnimo de nmero, o combinacin de varios smbolos paraexpresar una cierta cantidad. Aunque un word puede tener cualquier cantidad de bits, seha popularizado entre los especialistas de computadoras en uso de words con ocho bits;estos son llamados sencillamente bytes. Un word que tenga cuatro bits es denominadonible. Un ejemplo: 0001011100101001 Es un word con diecisiete bits; es un word condos bytes, o sencillamente es un word con cuatro nibles. 00010111 00101001 Es un wordigual al anterior, pero separados los bytes para una mejor visualizacin. Igual que en elsistema decimal, los bits cero al comienzo de un word(lado izquierdo) no representan


ninguna cantidad, pero se acostumbra colocarlos para facilitar el manejo en los circuitoselectrnicos de computo.

2.7. Comentarios y referenciasEn este captulo se presentaron todos los principios bsicos desde el uso adecuado

de motores, el diseo de poleas de primero, segundo y tercer grado con la finalidadde poder disear un circuito mecnico elctrico de control que pueda cumplir todaslas necesidades para poder mover una ventana de aluminio. Por otro lado se analizanlos diferentes tipos de sensores al menos los mas comunes para poder realizar unaaplicacin adecuada de stos. Para finalizar se realiza una explicacin bsica de laaplicacin de compuertas lgicas, tambin se dan especificaciones de las tecnologas decircuitos integrados (TTL y CMOS).

Si se quiere aprender ms sobre estos principios se recomienda el manual: Tcnicasy Automatizacin del Control Remoto[6].

Para una mejor explicacin sobre el uso de motores se recomienda el libro Mecnicapara ingenieros Esttica [17].

Captulo 3

Consideraciones en la automatizacinde ventanas

Un tanto diferente en los requerimientos de construccin, es que el proyecto deautomatizacin de ventanas requiere una gran parte de dispositivos electrnicos. Por lotanto, este captulo tiene como objetivo dar algunas consideraciones y sugerencias parala construccin de las etapas de control.

La organizacin de este captulo es la siguiente: en la Seccin 3.1 se presenta unaintroduccin al uso adecuado de las corrientes (AC y DC) as como las medidas deseguridad que se deben tener para el diseo de circuitos electrnicos para la ventanaautomtica. En la Seccin 3.2 se presentan algunas ideas de cmo poder adquirir loselementos para el diseo de los circuitos de la ventana automtica. En la Seccin 3.3se explica los tipos de modulacin haciendo nfasis en modulacin ASK as como lacomunicacin digital. En la Seccin 3.4 se presenta una introduccin a la comunicacindigital y se dan algunas ventajas que tiene sobre la comunicacin analgica. Finalmenteen la Seccin 3.5 se presentan los comentarios y referencias de este captulo.

3.1. Introduccin

Muchas de las etapas de este proyecto de tesis involucran AC (Corriente Alterna). Nose puede exagerar de la importancia de la seguridad en este sentido, ni tomar mtodosque podran ser fatales, esto no es una excusa.

A continuacin se dan algunas consideraciones al hacer uso de corriente alterna:

Uso adecuado de la AC en los circuitos. Nunca se permite que se caliente el circuitodurante una operacin. Se debe de aislar los cables de AC. Nunca se usa metaltanto en las cubiertas como en las terminaciones, se asla la lnea de AC. Usoadecuado de la tierra.

Se usan cables que no tengan problemas con la corriente que se va a trabajar.

39

40 3.2. Encontrando partes

Los fusibles no son opcionales!. Se usan todos los fusibles en los proyectos. Estosestn para una razn, son medios de proteccin. Omitiendo 50 cntimos del fusible,esto puede ser fatal.

Nunca se usa un fusible que no sirve, esto podra daar el circuito. Tambin sepuede correr el riesgo de una lesin o hasta la muerte.

Mantener retiradas las manos del circuito electromecnico cuando ya est funcio-nanado y buscar alguna manera de que nadie las pueda acercar mucho.

Que todos los movimientos mecnicos sean visibles, por ejemplo una ventanaautomtica. Esta es una buena idea para ver todos los movimientos lentos, per-mitiendo que las personas puedan visualizar. Donde podra ser una lesin seriareal. Adems visuales o audibles debern ser usados cada vez que el circuito esteen movimiento.

Siempre se debe asegurar que todos los movimientos se puedan apresiar a simplevista. Se recuerda que se compromete cuando la seguridad preocupe. La seguridadser una preocupacin en todo momento.

3.2. Encontrando partes

Los proyectos del control remoto y la automatizacin de ventanas siempre tienenalguna parte inusual. Especialmente los sensores pueden ser siempre un problema difcilde localizar. Las ventas normales para componentes electrnicos, usualmente son partesnecesarias. En algunos casos los componentes especficos del mecanismo podran noestar disponibles. Se podra necesitar personalizarlo para designarlo completamente apropsito diferente. Como siempre se requiere de ingenio.

Se podra asumir que ya se conoce como encontrar componentes electrnicos estn-dares. Esta seccin se dan algunos consejos de cmo buscar estas partes. Diferentes tien-das son buenos lugares donde puedan estar. La mayora de las ciudades de la RepblicaMexicana tienen al menos un deshuesadero de autos. La industria tambin tiene a laventa componentes mecnicos a precios muy accesibles.

Otra alternativa que actualmente se ha puesto de moda la compra-venta por interneto correo electrnico, al igual que en el mercado normal, se tienen ventajas y desventajasal comprar por correo electrnico, como son:

ventajas :

Hay ofertas usualmente a precios bajos.

Hay siempre reservas de larga variedad de artculos.

Desventajas :

3. Consideraciones en la automatizacin de ventanas 41

La mayor desventaja es estar comprando artculos y no poder tenerlos antesde comprarlos.

La descripcin del catlogo puede ser engaosa. Esto no siempre nos indicaun intento mal. Frecuentemente, es difcil describir el artculo adecuado. Enalgunos casos las fotografas no son suficientes en particular un problema escuando se intenta adquirir una pieza para experimentacin ya que las partesque se necesitan o si se intenta usar para algn otro propsito

Comprando sustitutos por correo es admitible. Afortunadamente no se com-pra sin ver, se debera conseguir negociar. Se debe tener cuidado al comprar,la direccin del correo electrnico del artculo puede ser encontrada o vista enrevistas de equipo experimental por ejemplo la revista de Saber electrnica.

Anteriormente las aplicaciones en el hogar puede ser otra forma de conseguir laspartes, especialmente montajes mecnicos. Se piensa acerca de cada funcin y aplicacinque se llevaran acabo. Casi siempre estas funciones pueden ser reemplazadas. Se tratade no considerar las aplicaciones y funciones primarias con las segundas, por ejemplo, sufuncin principal de un refrigerador es conservar los alimentos en buen estado. Algunosrefrigeradores modernos incluyen un descongelador automtico, usualmente el sensorpuede ser extremadamente til en los proyectos de control. Los menos tiles pueden sercanalizados para funciones secundarias.

Se puede ir a la venta de aparatos usados. Se puede casi siempre hacer buen negocio.En muchos casos, la unidad necesita alguna reparacin para llevar acabo la funcinprincipal, pero una de las funciones secundarias podra ser trabajada perfectamente.

La chatarra y los comerciantes en los tianguis son otra excelente idea para encontrarlas partes mecnicas. Ignorar la aplicacin original, pensar si o no esta parte puede serusado para llegar acabo la operacin que se tiene en mente. Una poca de creatividaden las compras se puede rescatar literalmente obtener ahorros de cientos de pesos enun sistema de control completo.

Aunque se asegura que los componentes mencionados en el proyecto estn disponibles.Se dan algunas advertencias. Siempre se recuerda que la electrnica es un campo quecambia rpidamente, as que existe siempre la posibilidad que un componente en es-pecifico podra ser discontinuado. Esto es particularmente comn en los CIs. La manu-factura de un componente electrnico esta en funcin si tiene o no suficiente demanda.

Desgraciadamente, cuando estas cosas suceden, esto es lo que se puedo hacer. Enlos proyectos, se hace la mejor suposicin acerca del cuales componentes probablementepermanezcan disponibles en un tiempo, pero por supuesto que no esta infalible. Si laindustria electrnica ha decidido discontinuar un componente y no hacer uno similarentonces no se puede hacer nada.

Sin embargo, si se encuentra con un problema semejante, especialmente si el cir-cuito ha sido discontinuado, se podra aun encontrarlo. Algunas proveedoras de partespodran aun tener suplimientos. Casi siempre los componentes discontinuados pueden

42 3.3. Modulacin

encontrarse (usualmente en precios excelentes) en los catlogos de componentes ya dis-continuados que se anuncian en espacios de revistas de electrnica como la de SaberElectrnica.

Realmente no se cree que se tenga el mayor problema en encontrar los componentesrequeridos para este trabajo de tesis, aunque en algunos de los casos un pequeo estudiode trabajo creativo sea necesario.

3.3. ModulacinEn un sistema de transmisin, es imprescindible la existencia de un equipo trans-

misor, un canal de comunicacin y un dispositivo receptor. Las caractersticas del trans-misor y del receptor deben ajustarse a las caractersticas del canal. En los sistemas deradio, el canal es conformado por el aire y la manera de lograr que una seal se propagueen el espacio, es mediante ondas electromagnticas, comnmente denominadas ondas deradio. Estas ondas, para transportar informacin necesitan ser modificadas en algunode sus parmetros en funcin de la informacin [20].

Se denomina modulacin al proceso de colocar la informacin contenida en unaseal, generalmente de baja frecuencia, sobre una seal de alta frecuencia. Debido aeste proceso la seal de alta frecuencia denominada portadora, sufrir la modificacinde alguna de sus parmetros, siendo dicha modificacin proporcional a la amplitud de laseal de baja frecuencia denominada moduladora. A la seal resultante de este procesose le denomina seal modulada y es la seal que se transmite [15]. En la Figura 3.1muestra el proceso de modulacin de una seal de audiofrecuencia

Los sistemas tradicionales de comunicaciones electrnicas, que usan tcnicas conven-cionales de modulacin analgica, como los de modulacin de amplitud (AM), modu-lacin de frecuencia (FM), modulacin de fase (PM) se estn sustituyendo rpidamentepor sistemas de comunicacin digital, ya que son ms modernos, que tienen varias y no-tables ventajas sobre los sistemas analgicos tradicionales: fidelidad de procesamiento,facilidad de multiplexado e inmunidad al ruido[20].

Tipos de modulacin

En las telecomunicaciones se utilizan diferentes tipos de modulacin dependiendode la aplicacin que se les vaya a dar, sin embargo las ms utilizadas son las siguientes:

1. Amplitud (AM, ASK: Amplitude Shift Keyne). La moduladora modifica la am-plitud de la modulada.

2. Frecuencia (FM, FSK: Frequency Shift Keyne). La moduladora modifica la fre-cuencia de la modulada.

3. Fase (PM, PSK: Pha

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Control Remoto de Ventanas Automaticas