tesis-automhogar x10 migsantiago

8/17/2019 TESIS-AutomHogar X10 MigSantiago

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IINNSSTTIITTUUTTOO PPOOLLIITTÉÉCCNNIICCOO NNAACCIIOONNAALL

EESSCCUUEELLAA SSUUPPEERRIIOORR DDEE IINNGGEENNIIEERRÍÍAA MMEECCÁÁNNIICCAA YY EELLÉÉCCTTRRIICCAA

UUNNIIDDAADD PPRROOFFEESSIIOONNAALL AAZZCCAAPPOOTTZZAALLCCOO

PPRROOYYEECCTTOO TTEERRMMIINNAALL

Automatización de un hogar mediante tecnología X-10

MigSantiago


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ContenidoCAPÍTULO 1........................................................................................................................................... 1

1.1 Antecedentes ................................................................................................................................... 21.1.1 La historia de la electricidad en México y sus aplicaciones actuales ...................................... 21.1.2 Historia del protocolo X-10 ..................................................................................................... 61.1.3 Los microcontroladores PIC de Microchip.............................................................................. 7

CAPÍTULO 2........................................................................................................................................... 9 2.1 La domótica................................................................................................................................... 10

2.1.1 Características de la domótica................................................................................................ 112.1.2 Gestión de la Domótica.......................................................................................................... 112.1.3 Descripción del sistema domótico ......................................................................................... 12

2.2 El Protocolo X-10 ......................................................................................................................... 162.2.1 La teoría de transmisión del protocolo X-10 ......................................................................... 16

CAPÍTULO 3......................................................................................................................................... 20 3.1 Los microcontroladores PIC ......................................................................................................... 21

3.1.1 La arquitectura RISC Harvard ............................................................................................... 213.1.2 Frecuencias de trabajo............................................................................................................ 213.1.3 Memoria de programa FLASH .............................................................................................. 223.1.4 Los temporizadores ................................................................................................................ 223.1.5 Módulo de Captura-Comparación-PWM............................................................................... 223.1.6 El convertidor analógico a digital .......................................................................................... 23

3.2 La automatización con PICs ......................................................................................................... 243.2.1 Descripción del hardware....................................................................................................... 243.2.2 Detector de cruce por cero ..................................................................................................... 253.2.3 Detector de señal de 120kHz ................................................................................................. 263.2.4 Generador de la señal de 120kHz .......................................................................................... 27

3.2.5 Fuente de 5V sin transformador............................................................................................. 303.3 Sensores a emplear........................................................................................................................ 32

3.3.1 Sensor de iluminación............................................................................................................ 323.3.2 Sensor de humo...................................................................................................................... 343.3.3 Sensor de presencia ................................................................................................................ 353.3.4 Sensor de temperatura ............................................................................................................ 363.3.5 Sensor de humedad ................................................................................................................ 373.3.6 Sensor de gas.......................................................................................................................... 38

3.4 Dispositivos y mecanismos de control.......................................................................................... 413.4.1 Control de iluminación........................................................................................................... 413.4.2 Control de riego ..................................................................................................................... 45

3.4.3 Control de puerta de cochera ................................................................................................. 503.4.4 Control de persianas............................................................................................................... 583.4.5 Respaldo de energía vía UPS ................................................................................................. 703.4.6 Control de temperatura........................................................................................................... 713.4.7 Control de bombeo de agua ................................................................................................... 773.4.8 Protección de ventanas........................................................................................................... 87

CAPÍTULO 4......................................................................................................................................... 90 4.1 Automatización y programación ................................................................................................... 91


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4.1.1 Componentes de la automatización........................................................................................ 914.1.2 Transmisión y recepción de la portadora ............................................................................... 924.1.3 La computadora central.......................................................................................................... 954.1.4 Las desventajas del protocolo X10 ...................................................................................... 106

CAPÍTULO 5....................................................................................................................................... 107

5.1 Costos.......................................................................................................................................... 108Apéndice ........................................................................................................................................... 117A.1 Programas de transmisión recepción de portadora................................................................. 117A.2 Programa del control de iluminación ..................................................................................... 119A.3 Programa del control de temperatura ..................................................................................... 121B.1 Diagrama electrónico de la fuente de 5V sin transformador.................................................. 126B.2 Diagrama electrónico del receptor X10.................................................................................. 127B.3 Diagrama electrónico del transmisor X10.............................................................................. 128B.4 Diagrama electrónico del control de iluminación .................................................................. 129B.5 Diagrama electrónico del control de velocidad del ventilador............................................... 130B.6 Conexionado básico de un PIC16F877A ............................................................................... 131B.7 Circuito electrónico del transmisor del sensor de presencia .................................................. 132B.8 Circuito electrónico del receptor del sensor de presencia ...................................................... 133B.9 Circuito electrónico del detector de intrusión de ventanas..................................................... 134B.10 Tornillo sinfín del garage ..................................................................................................... 135B.11 Medidas del engrane helicoidal y del tornillo sinfín............................................................ 136B.12 Vista general del garage automático .................................................................................... 137B.13 Diagrama electrónico del control de la cochera ................................................................... 138

Bibliografía ....................................................................................................................................... 142


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Introducción

La evolución de los seres humanos ha generado una serie de eventos que han dado lugar aetapas históricas de gran trascendencia, como lo son los desarrollos tecnológicos.

La tecnología nace con los seres humanos y se va transformando en un elemento deprioridad para los grupos sociales que la emplean, les permite habituarse a mediosambientes extremosos o, simplemente, a subsistir.

Gracias a los avances tecnológicos generados por años de estudio e investigación, los sereshumanos han logrado obtener un nivel de vida muy alto; sus vidas ya no corren peligro antesituaciones de la naturaleza. Ahora no se busca cumplir necesidades básicas desupervivencia únicamente, también se busca lograr un nivel de vida con confort y control delos alrededores.

Ante estas nuevas necesidades la tecnología de la información entra en escena. Gracias aella se puede conocer, manipular y programar el ambiente en el que una persona sedesenvuelve, pudiendo ser una oficina o hasta el mismo hogar.

Así es como surge la domótica. En Francia, donde son muy amantes de adaptar términospropios a las nuevas disciplinas, se acuñó la palabra "Domotique", contracción de laspalabras "domo" e "informatique". Este término se puede definir como: "el concepto devivienda que integra todos los automatismos en materia de seguridad, gestión de la energía,comunicaciones, etc.". Es decir, el objetivo es asegurar al usuario de la vivienda un aumentodel confort, de la seguridad, del ahorro energético y de las facilidades de comunicación.

En este trabajo se presenta el proyecto de cinco estudiantes de noveno semestre de laEscuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Unidad Profesional Azcapotzalco. Setratará el uso de tecnologías como los microcontroladores y computadoras personales paramanipular las diversas variables que se encuentran en un hogar, tales como temperatura,control de iluminación, seguridad, gestión de energía, sistemas de riego, etc.

El sistema de comunicación entre los dispositivos que controlarán todas esas variables seráel protocolo X-10, el cuál será explicado en el marco teórico de este trabajo.


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AbstractThe humankind evolution has generated a series of events that form part of greattranscendence historic stages. Technology is born along human beings and has turned to bea priority element for social groups that use it, it allows them to live in harmful environmentsand survive.

Due to the technological advances generated by years of research, humans have achieved ahigh quality life level, their lives are not threatened by nature situations anymore. Humans arenot just looking to fulfil basic survival needs, they are looking for a comfortable life and controlof their surroundings as well.

Considering these new needs, the information technology comes into scene. By using it, theenvironment in which a person interacts can be known, can be manipulated and can beprogrammed; this environment could be an office or a home itself.

That is how domotics appears. In France, where people love to adapt self-invented names tonew disciplines, the word "domotique" was coined, from the contraction of the words "domo"and "informatique". This term can be defined as follows: "a home concept which unites allautomatisms related to security issues, energy management, communications, etc.". Theobjective is to guarantee the home owner an improvement in comfort, security, energysavings and communication simplicities.

This work reports the project of five students of ninth grade at Superior School of Mechanicaland Electrical Engineering, Professional Unit Azcapotzalco. It introduces the use ofmicrocontroller and computer technologies to manipulate the diverse variables that can befound in a home such as: temperature, illumination control, security, energy management,

sprinkler systems, etc.

The system used to communicate between devices and control all these variables, is the X-10protocol, which will be explained in this paper.


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OBJETIVO GENERAL

Aplicar la tecnología X-10 para controlar el ambiente de un hogar


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OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Entender el funcionamiento del protocolo X-10 Intercomunicar dos elementos a controlar mediante el cableado de energía eléctrica

de un hogar Desarrollar un sistema central que esté a cargo de la gestión de todos los elementos

de control del hogar


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CAPÍTULO 1MARCO HISTÓRICO


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Automatización de un hogar mediante el protocolo X-10El protocolo X10

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1.1 Antecedentes

La creciente dedicación del Homo Erectus a la caza, dio origen aldesarrollo de una organización social claramente humana, basada en

una estricta división del trabajo entre hombres, cazadores y mujeres quebuscaban y recogían el alimento ... desarrollando un lenguaje quemuestra al hombre como el único animal cultural, que pudo sobrevivir ytriunfar adaptando su comportamiento, más que su cuerpo, a lasmodificaciones del medio.1

- Jonathan N. Leonard -

Una vivienda domótica se puede definir como: "aquella vivienda en la que existenagrupaciones automatizadas de equipos, normalmente asociados por funciones, quedisponen de la capacidad de comunicarse interactivamente entre sí de un bus domésticomultimedia que las integra".

Para lograr la intercomunicación de estos equipos se cuenta con la transmisión deinformación por la línea de alimentación eléctrica. Esa información se envía siguiendo lasnormas del protocolo X-10, que será explicado posteriormente. Este intercambio se logramediante circuitería eléctrica y microcontroladores PIC, encargados de decodificar y/ocodificar la información a transmitir.

En este apartado se tratarán los temas de la energía eléctrica en México, el desarrollo delprotocolo X-10 y el desarrollo de los microcontroladores PIC de Microchip.

1.1.1 La historia de la electricidad en México y sus aplicaciones actuales

La historia de la electricidad en México ha sido seguida por la Compañía Federal deElectricidad, a continuación se muestran los datos obtenidos y que se presentan en supágina de Internet.

En 1937, México tenía 18.3 millones de habitantes; de los cuales, únicamente siete millones(38%) contaban con servicio de energía eléctrica, proporcionado con serias dificultades portres empresas privadas. La oferta no satisfacía la demanda, las interrupciones de luz eranconstantes y las tarifas muy elevadas. Además, esas empresas se enfocaban a los mercadosurbanos más redituables, sin contemplar en sus planes de expansión a las poblaciones

rurales, donde habitaba más de 62% de la población.Para dar respuesta a esas situaciones que no permitían el desarrollo económico del país, elGobierno federal decidió crear, el 14 de agosto de 1937, la Comisión Federal de Electricidad,que en una primera etapa se dio a la tarea de construir plantas generadoras para satisfacer

1 Editorial Time-Life, El Primer Hombre: Orígenes del Hombre, Netherlands, Time-Life International, 1976, pp 15-18


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la demanda, y con ello beneficiar a más mexicanos mediante el bombeo de agua de riego, elarrastre y la molienda; pero sobre todo, con alumbrado público y para casas habitación.

Los primeros proyectos de CFE se emprendieron en Teloloapan, Guerrero; Pátzcuaro,Michoacán; Suchiate y Xía, en Oaxaca, y Ures y Altar, en Sonora. En 1938, la empresa tenía

apenas una capacidad de 64 kW, misma que, en ocho años, aumentó hasta alcanzar 45,594kW. Entonces, las compañías privadas dejaron de invertir y la CFE se vio obligada a generarenergía para que éstas la revendieran.

En 1960, de los 2,308 MW de capacidad instalada en el país, CFE aportaba 54%; la MexicanLight, 25%; la American and Foreign, 12%, y el resto de las compañías, 9%. Sin embargo, apesar de los esfuerzos de generación y electrificación, para esas fechas apenas 44% de lapoblación contaba con electricidad. Tal situación del Sector Eléctrico Mexicano motivó alentonces Presidente Adolfo López Mateos a nacionalizar la industria eléctrica, el 27 deseptiembre de 1960.

A partir de entonces, se comenzó a integrar el Sistema Eléctrico Nacional, extendiendo lacobertura del suministro y acelerando la industrialización del país. Para ello, el Estadomexicano adquirió los bienes e instalaciones de las compañías privadas, mismas queoperaban con serias deficiencias, por la falta de inversión y los problemas laborales.

Para 1961, la capacidad total instalada en el país ascendía a 3,250 MW. CFE vendía 25% dela energía que producía y su participación en la propiedad de centrales generadoras deelectricidad pasó de cero a 54%. En poco más de 20 años, la CFE había cumplido uno desus más importantes cometidos: ser la entidad rectora en la generación de energía eléctrica.En esa década, la inversión pública se destinó en más de 50% a obras de infraestructura.Con parte de estos recursos se construyeron importantes centros generadores, entre elloslos de Infiernillo y Temascal. En esos años se instalaron plantas generadoras por elequivalente a 1.4 veces lo hecho hasta entonces, alcanzando, en 1971, una capacidadinstalada de 7,874 MW.

Al finalizar los 70, se superó el reto de sostener el mismo ritmo de crecimiento, al instalarseentre 1970 y 1980 centrales generadoras por el equivalente a 1.6 veces, para llegar a unacapacidad instalada de 17,360 MW. En la década de los 80, el crecimiento fue menosespectacular, principalmente por la disminución en la asignación de recursos. No obstante,en 1991 la capacidad instalada ascendía a 26,797 MW.

En 2005, la capacidad instalada en el país es de 46,171.02 MW, de los cuales 50.32%corresponde a generación termoeléctrica de CFE; 16.79% a productores independientes deenergía (PIE); 22.22% a hidroelectricidad; 5.63% a centrales carboeléctricas; 2.08% ageotérmica; 2.96% a nucleoeléctrica, y 0.005% a eoloeléctrica.

Debe señalarse que, en los inicios de la industria eléctrica mexicana operaban variossistemas aislados, con características técnicas diferentes; llegando a coexistir casi 30voltajes de distribución, siete de alta tensión para líneas de transmisión y dos frecuenciaseléctricas de 50 y 60 hertz. Ello dificultaba el suministro de electricidad a todo el país, por loque CFE definió y unificó los criterios técnicos y económicos del Sistema Eléctrico Nacional,


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normalizando los voltajes de operación, con la finalidad de estandarizar los equipos, reducirsus costos y los tiempos de fabricación, almacenaje e inventariado. Luego, unificó lafrecuencia a 60 hertz en todo el país e integró los sistemas de transmisión, en el SistemaInterconectado Nacional.

Otro rubro con logros contundentes, se refiere a la red de transmisión de electricidad, el cualse compone actualmente de: 44,424 kilómetros de líneas de 400, 230 y 161 kV; 324subestaciones de potencia con una capacidad de 129,771 MVA, y 45,216 kilómetros delíneas de subtransmisión de 138 kV y tensiones menores. Por su parte, el sistema dedistribución (que también estaba en ceros en 1937) cuenta actualmente con 1,497subestaciones con 39,072 MVA de capacidad; 6,484 circuitos de distribución con unalongitud de 359,598 kilómetros; 935,654 transformadores de distribución con una capacidadde 30,455 MVA; 231,109 kilómetros de líneas secundarias de baja tensión y 562,633kilómetros de acometidas.

El día de hoy, 125,934 localidades tienen electricidad y sus habitantes reciben una atenciónmás rápida y cómoda en las 951 oficinas de atención al público y los 1,505 cajerosCFEmático, en los que se puede pagar el recibo de luz a cualquier hora, los 365 días delaño.2

Hoy en día, la CFE está buscando aplicar la tecnología para el desarrollo social del país; nosólo se encarga de entregar energía eléctrica a poblaciones rurales. Existe un proyecto pilotoa cargo de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) para la transmisión de voz, audio ydatos a través de redes eléctricas en comunidades remotas. A continuación se muestra unaparte de la información que la página de la presidencia de México contiene.

El Proyecto Power Line Communication (PLC), Comunicación a la Velocidad de la Luz, es unsistema que utiliza la red eléctrica para enlazar a los usuarios con la telefonía pública eInternet, y cuya aplicación se extiende a ámbitos tan importantes para el desarrollo del paíscomo la educación, salud, vivienda, cultura y recreación para las familias mexicanas.

El primero de febrero de 2005, el Presidente Vicente Fox realizó la primera llamada telefónicaa través del sistema PLC, tecnología desarrollada por la CFE, desde la escuela primaria“Coronel Filiberto Gómez”, en Jocotitlán, estado de México, para comunicarse a la ciudad deMéxico.

En 2003, la CFE suscribió un convenio de colaboración con el Instituto Politécnico Nacional yGrupo IUSA para desarrollar el programa piloto en Jocotitlán, en donde ya hay 80 accesos aInternet gratuitos y se desarrolla otra prueba de campo en Morelia, en donde se da servicio a700 casas.

El Mandatario resaltó que este proyecto se suma a diversas esfuerzos de conectividademprendidas por el Gobierno Federal, como el programa e-México que busca llevar elInternet a los 165 mil salones de clases de quinto y sexto año de primaria que hay en todo elpaís.

2 CFE - Historia, leída el 11/sep/2005,


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Asimismo, se suma al programa Enciclomedia –cuyos beneficiarios serán las más de 200 milescuelas públicas de todo el país--, y al proyecto e-México, para brindar conexión al mundodel conocimiento, la tecnología y la red Mundial.

De igual modo, el Proyecto PLC impactará a los siete mil 500 Centros del Conocimiento oPlazas Comunitarias que ya están operando, y que sin costo alguno dan acceso a toda lapoblación abierta de comunidades indígenas y rurales a la computadora y al Internet.

Otro importante lugar de aplicación para el Proyecto será el programa e-Salud, que a travésde telemedicina, conectará a los pacientes de todo el país con los expertos de los institutosnacionales de especialidades médicas instalados en la Ciudad de México.

La operatividad de Proyecto PLC consiste en que, mediante cualquier contacto de luz, sepodrán transmitir video, voz y datos a alta velocidad.3

Estos avances tecnológicos son importantes debido al medio de transmisión propuesto. Enotros países del primer mundo la transmisión de Internet se hace mediante cableadoespecial, el cual necesita grandes inversiones que en nuestro país no se podrían dar. Es poresto que las líneas de alimentación, que ya están previamente instaladas, constituyen unmedio barato, seguro y presente en todas las comunidades y ciudades del país.

3 Luis Alberto García Castillo, México - Presidencia de la República _ Las Buenas Noticias también son Noticia, leída el11/sep/2005,


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1.1.2 Historia del protocolo X-10

Los orígenes de X-10 están en una compañía llamada Pico Electronics, en Glenrothes,Escocia. Pico fue fundada en 1970 por un grupo de ingenieros que trabajaban para GeneralInstrument Microelectronics (G.I.). Los fundadores de Pico tuvieron la idea de que era posible

desarrollar una calculadora chip única; la mayoría de calculadoras en aquel momento usabancomo mínimo 5 circuitos integrados (ICs). Pico lo hizo y esta calculadora IC fue precisamenteel primer microprocesador del mundo, una historia muy diferente a lo que Intel o TexasInstruments aseveran. Pico pasó a desarrollar una gama de calculadoras ICs que fueronfabricadas por G.I. y vendidas a fabricantes de calculadoras como Bowmar, Litton, y Casio. APico le pagaron los derechos de patente de ICs pero como el precio de los ICs paracalculadoras descendió de $20 a menos de un dólar, los directores de Pico vieron lanecesidad de desarrollar productos completos y no sólo ICs.

En 1974 presentaron la idea de un cambiadiscos que seleccionaría las pistas en un disco LPvinil. Pico desarrolló el producto entero que incluía el IC de costumbre, todos los aspectosmecánicos, la caja, etc. Se necesitó un fabricante, BSR en ese momento era el fabricantemás grande del mundo de cambiadores de discos. Por lo tanto se formó una nueva empresallamada Accutrac Ltd., una asociación a medias entre BSR y Pico. BSR fabricó el cambiadorde discos, llamado Accutrac 2000, y pasó a la fabricación de varios modelos desarrolladospor Pico.

El éxito de los proyectos Accutrac financió el desarrollo de la siguiente gran idea. El Accutractenía muchas características únicas, como que era teledirigido. Utilizaba un telecomando“ultrasónico” desarrollado por Pico. Esto pasó a mediados de los 70, incluso antes de quefuera popular para los televisores con mando a distancia. La idea del mando a distancia deAccutrac engendró la idea de controlar las luces y los electrodomésticos con mando adistancia, y así en 1975 el proyecto X-10 fue concebido (había 8 proyectos diferentes decalculadoras IC y Accutrac era el proyecto X9). Se llegó a la idea de utilizar la instalacióneléctrica existente AC para transmitir señales para controlar luces y electrodomésticos.

Los ICs se desarrollaron en un periodo de tres años, y se realizaron extensas pruebas enuna casa. Después de numerosas pruebas se encontró que el sistema funcionaba biendurante el día, pero parecía que paraba de funcionar cuando el dueño venía a verlo por latarde. Después de una investigación exhaustiva se descubrió que cuando todos llegaban acasa de trabajar y empezaban a poner en marcha sus electrodomésticos, el ruido en la líneaAC aumentaba hasta tal punto que el sistema paraba de funcionar. Para remediarlo, losingenieros de Pico propusieron sincronizar las transmisiones de la línea de conduccióneléctrica con el punto de cruce cero de la línea AC, que es cuando hay menos ruido.

En 1978 se presentó X-10 al público americano. RadioShack fue el primer cliente.RadioShack es incluso hoy día uno de los minoristas más grandes de productos X-10. Ya semantenía una relación con BSR, tenían un buen nombre y una buena distribución, por tantose formó otra empresa a medias con ellos y se fundó X10 Ltd. El día en que la prensa iba aanunciar la presentación del sistema todavía no se había otorgado un nombre, por tanto seacordó el nombre “El Sistema X10 BSR", el cuál más adelante fue renombrado como sistemaX10 de fuente de energía.


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En 1978 el sistema constaba de una consola de comandos de 16 canales, un Módulo deLámpara, y un Módulo para los Electrodomésticos. Muy pronto se continuó con la adición deun módulo para el interruptor de pared. Un año después se presentó el primer relojautomático X10. Esta vez se creyó necesario asignar un nombre propio al sistema, por tantofue contratada la mejor agencia de publicidad que había entonces y se invirtió mucho dinero

en proponer un nombre. El nombre ofrecido fue “El Reloj Automático”.

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Actualmente, la compañía X10 desarrolla productos que van más allá del control centralizadodentro del hogar del usuario, pueden controlarse equipos desde Internet, o con controlesPDA (Personal Digital Assistant); incluso se puede controlar lo que se está viendo en eltelevisor o saber quién está llamando a la puerta sin levantarse a verificarlo.

1.1.3 Los microcontroladores PIC de Microchip

Un microcontrolador es un circuito integrado o chip que incluye en su interior las tresunidades funcionales de un ordenador: CPU, Memoria y Unidades de E/S, es decir, se tratade un computador completo en un solo circuito integrado. Aunque sus prestaciones sonlimitadas, además de dicha integración, su característica principal es su alto nivel deespecialización. Aunque los hay del tamaño de un sello de correos, lo normal es que seanincluso más pequeños, ya que, lógicamente, forman parte del dispositivo que controlan.

Un microcontrolador es un microprocesador optimizado para ser utilizado para controlarequipos electrónicos. Los microcontroladores representan la inmensa mayoría de los chipsde ordenador vendidos, sobre un 50% son controladores "simples" y otros son procesadoresde señales digitales (DSP5) más especializados. Mientras se pueden tener uno o dosmicroprocesadores de propósito general en casa, probablemente hay distribuidos entre loselectrodomésticos de una casa entre una y dos docenas de microcontroladores. Puedenencontrarse en casi cualquier dispositivo eléctrico como automóviles, lavadoras, hornosmicroondas, teléfonos, etc.

Un microcontrolador difiere de una CPU normal, debido a que es más fácil convertirla en unordenador en funcionamiento, con un mínimo de chips externos de apoyo. La idea es que elchip se coloque en el dispositivo, enganchado a la fuente de energía y de información quenecesite, y eso es todo. Un microprocesador tradicional no permite hacer esto, ya que esperaque todas estas tareas sean manejadas por otros chips.

Por ejemplo, un microcontrolador típico tendrá un generador de reloj integrado y unapequeña cantidad de memoria RAM (memoria de acceso aleatorio) yROM/EPROM/EEPROM (memorias borrables de sólo lectura), significando que para hacerlofuncionar, todo lo que se necesita son unos pocos programas de control y un cristal desincronización. Los microcontroladores disponen generalmente también de una granvariedad de dispositivos de entrada/salida, como convertidores de analógico a digital,

4 La historia de X10 por uno de sus pioneros, leída el 04/sep/2005,

5 Del inglés, Digital Signal Processors.


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temporizadores y buses de interfaz serie especializados, como I2C (Inter Integrated Circuits)y CAN (Redes de controladores). Frecuentemente, estos dispositivos integrados pueden sercontrolados por instrucciones de procesadores especializados. 6

En 1965 GI formó una división de microelectrónica, destinada a generar las primeras

arquitecturas viables de memoria EPROM y EEPROM. De forma complementaria GIMicroelectronics Division fué también responsable de desarrollar una amplia variedad defunciones digitales y analógicas en las familias de circuitos integrados AY3-xxxx y AY5-xxxx.

GI también creó un microprocesador de 16 bit, denominado CP1600 a principios de los 70.Este fue un microprocesador razonable, pero no particularmente bueno manejando puertosde entrada/salida. Para algunas aplicaciones muy específicas GI diseñó un Controlador deInterface Periférico (PIC) entorno a 1975. Fue diseñado para ser muy rápido, además de serun controlador de entradas/salidas para una máquina de 16 bits pero sin necesitar una grancantidad de funcionalidades, por lo que su lista de instrucciones fue pequeña.

No es de extrañar que la estructura diseñada en 1975 es la arquitectura del actual PIC16C5x.Además, la versión de 1975 fue fabricada con tecnología NMOS y sólo estaba disponible enversiones de ROM de máscara, pero seguía siendo un buen pequeño microcontrolador. Elmercado, no obstante, no pensó así y el PIC quedó reducido a ser empleado por grandesfabricantes únicamente.

Durante los 80, GI renovó su apariencia y se reestructuró, centrando su trabajo en susprincipales actividades, semiconductores de potencia esencialmente, lo cual siguen haciendoactualmente con bastante éxito. GI Microelectronics Division cambió a GI MicroelectronicsInc. (una especie de subsidiaria), la cual fue finalmente vendida en 1985 a Venture CapitalInvestors, incluyendo la fábrica en Chandler, Arizona. La gente de Ventura realizó unaprofunda revisión de los productos en la compañía, desechando la mayoría de loscomponentes AY3, AY5 y otra serie de cosas, dejando sólo el negocio de los PIC y de lasmemorias EEPROM y EPROM. Se tomó la decisión de comenzar una nueva compañía,denominada Arizona Microchip Technology, tomando como elemento diferenciador suscontroladores integrados.

Como parte de esta estrategia, la familia NMOS PIC16C5x fue rediseñada para emplear algoque la misma compañía fabricaba bastante bien, memoria EPROM. De esta forma nació elconcepto de basarse en tecnología CMOS, OTP7 y memoria de programación EPROM,naciendo la familia PIC16C5x.

Actualmente Microchip ha realizado un gran número de mejoras a la arquitectura original,adaptándola a las actuales tecnologías y al bajo costo de los semiconductores.8

6 Microcontrolador - Wikipedia, leída el 11/sep/2005, < http://es.wikipedia.org/wiki/Microcontrolador>7 Del inglés, One Time Programming, programación de una sola vez.8 Miguel Angel Montejo Ráez, Introducción a los microcontroladores PIC , leída el 10/sep/2005


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CAPÍTULO 2MARCO CONCEPTUAL


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2.1 La domótica

Domótica es el término que se utiliza para denominar la parte de la tecnología (electrónica einformática), que integra el control y supervisión de los elementos existentes en un edificio de

oficinas o en uno de viviendas o simplemente en cualquier hogar. También, un término muyfamiliar es el de "edificio inteligente", que se aplica más al ámbito de los grandes bloques deoficinas, bancos, universidades y edificios industriales.

El uso de las tecnologías de la información y las comunicaciones en la vivienda generanuevas aplicaciones y tendencias basadas en la capacidad de proceso de información y en laintegración y comunicación entre los equipos e instalaciones. Una vivienda inteligente puedeofrecer una amplia gama de aplicaciones en áreas tales como:

* Seguridad* Gestión de la energía

* Automatización de tareas domésticas* Formación, cultura y entretenimiento* Comunicación con servidores externos* Ocio y entretenimiento* Operación y mantenimiento de las instalaciones, etc.

De una manera general, un sistema domótico dispondrá de una red de comunicación quepermite la interconexión de una serie de equipos a fin de obtener información sobre elentorno doméstico y, basándose en ésta, realizar determinadas acciones sobre dichoentorno.

Los elementos de campo (detectores, sensores, captadores, actuadotes, etc.), transmitiránlas señales a una unidad central inteligente que tratará y elaborará la información recibida.En función de dicha información y de una determinada programación, la unidad centralactuará sobre determinados circuitos de potencia relacionados con las señales recogidas porlos elementos de campo correspondientes.


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2.1.1 Características de la domótica

Se pueden resaltar las siguientes características:

* Control remoto desde dentro de la vivienda: a través de un esquema de comunicación

con los distintos equipos (mando a distancia, bus de comunicación, etc.). Reduce lanecesidad de moverse dentro de la vivienda, este hecho puede ser particularmenteimportante en el caso de personas de la tercera edad o discapacitadas.

* Control remoto desde fuera de la vivienda: presupone un cambio en los horarios en losque se realizan las tareas domésticas y como consecuencia permite al usuario un mejoraprovechamiento de su tiempo.

* Programabilidad: el hecho de que los sistemas de la vivienda se pueden programar yasea para que realicen ciertas funciones con sólo tocar un botón o que las lleven a cabo enfunción de otras condiciones del entorno (hora, temperatura interior o exterior, etc.) produceun aumento del confort y un ahorro de tiempo.

2.1.2 Gestión de la Domótica

La domótica se encarga de gestionar los siguientes cuatro aspectos del hogar:

Energía eléctrica. Se encarga de gestionar el consumo de energía, mediantetemporizadores, relojes programadores, termostatos, etc.

Comodidad. La domótica proporciona una serie de comodidades, como pueden ser elcontrol automático de los servicios de: calefacción, refrigeración, iluminación y lagestión de elementos como accesos, persianas, toldos, ventanas, riego automático,etc.

Seguridad. La seguridad que proporciona un sistema domótico es más amplia que laque puede proporcionar cualquier otro sistema, pues integra tres campos de laseguridad que normalmente están controlados por sistemas distintos:

* Seguridad de los bienes: Gestión del control de acceso y control de presencia, asícomo la simulación de presencia. Alarmas ante intrusiones.

* Seguridad de las personas: Especialmente, para las personas mayores y losenfermos. Mediante el nodo telefónico, se puede tener acceso (mediante un pulsadorradiofrecuencia que se lleve encima, por ejemplo) a los servicios de ambulancias, policía, etc.

* Incidentes y averías: Mediante sensores, se pueden detectar los incendios y lasfugas de gas y agua, y, mediante el nodo telefónico, desviar la alarma hacia los bomberos,por ejemplo.

Comunicaciones: Este aspecto es imprescindible para acceder a multitud de serviciosofrecidos por los operadores de telecomunicaciones. La domótica tiene unacaracterística fundamental, que es la integración de sistemas, por eso hay nodos queinterconectan la red domótica con diferentes dispositivos, como Internet, la redtelefónica, etc.


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2.1.3 Descripción del sistema domótico

Tipo de Arquitectura

La arquitectura de un sistema domótico, como la de cualquier sistema de control, especifica

el modo en que los diferentes elementos de control del sistema se van a ubicar. Existen dosarquitecturas básicas: la arquitectura centralizada y la distribuida.

Arquitectura centralizada: Es aquella en la que los elementos a controlar y supervisar(sensores, luces, válvulas, etc.) han de conectarse hasta el sistema de control de la vivienda(computadora o similar). El sistema de control es el corazón de la vivienda, en cuya falta tododeja de funcionar, y su instalación no es compatible con la instalación eléctrica convencionalen cuanto que en la fase de construcción hay que elegir esta topología de cableado.

Arquitectura distribuida: Es aquella en la que el elemento de control se sitúa próximo alelemento a controlar. Hay sistemas que son de arquitectura distribuida en cuanto a lacapacidad de proceso, pero no lo son en cuanto a la ubicación física de los diferenteselementos de control y viceversa.

En los sistemas de arquitectura distribuida que utilizan como medio de transmisión el cable,existe un concepto a tener en cuenta que es la topología de la red de comunicaciones. Latopología de la red se define como la distribución física de los elementos de control respectoal medio de comunicación (cable).

Cada elemento del sistema tiene su propia capacidad de proceso y puede ser ubicado encualquier parte de la vivienda. Esta característica proporciona al instalador domótico unalibertad de diseño que le posibilita adaptarse a las características físicas de cada vivienda enparticular.

Medio de Transmisión

A continuación se enumeran los siguientes tipos de medios:

1. Líneas de distribución de energía eléctrica (Corrientes portadoras)Si bien no es el medio más adecuado para la transmisión de datos, si es una alternativa atener en cuenta para las comunicaciones domésticas dado el bajo costo que implica su uso,dado que se trata de una instalación existente por lo que es nulo el costo de la instalación.

Para aquellos casos en los que las necesidades del sistema no impongan requerimientosmuy exigentes en cuanto a la velocidad de transmisión, la línea de distribución de energíaeléctrica puede ser suficiente como soporte de dicha transmisión.

2. Soportes metálicosLa infraestructura de las redes de comunicación actuales, tanto públicas como privadas, tieneen un porcentaje muy elevado, cables metálicos de cobre como soporte de transmisión delas señales eléctricas que procesa.


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En general se pueden distinguir dos tipos de cables metálicos:

a. Par metálicoLos cables formados por varios conductores de cobre pueden dar soporte a un amplio rangode aplicaciones en el entorno domestico. Este tipo de cables pueden transportar voz, datos y

alimentación de corriente continua. Los denominados cables de pares están formados porcualquier combinación de los tipos de conductores que a continuación se detallan:

1.- Cables formados por un solo conductor con un aislamiento exterior plástico, como losutilizados para la transmisión de las señales telefónicas.2.- Par de cables, cada uno de los cables esta formado por un arrollamiento helicoidal devarios hilos de cobre. (Por ejemplo, los utilizados para la distribución de señales de audio).3.- Par apantallado, formado por dos hilos recubiertos por un trenzado conductor en forma demalla cuya misión consiste en aislar las señales que circulan por los cables de lasinterferencias electromagnéticas exteriores. (Por ejemplo, los utilizados para la distribuciónde sonido alta fidelidad o datos).4.- Par trenzado, esta formado por dos hilos de cobre recubiertos cada uno por un trenzadoen forma de malla. El trenzado es un medio para hacer frente a las interferenciaselectromagnéticas. (Por ejemplo, los utilizados para interconexión de ordenadores).

b. CoaxialUn par coaxial es un circuito físico asimétrico, constituido por un conductor que ocupa el ejelongitudinal del otro conductor en forma de tubo, manteniéndose la separación entre ambosmediante un dieléctrico apropiado.

Este tipo de cables permite el transporte de las señales de video y señales de datos a altavelocidad. Dentro del ámbito de la vivienda, el cable coaxial puede ser utilizado como soportede transmisión para:- Señales de teledifusión que provienen de las antenas- Señales procedentes de las redes de TV por cable- Señales de control y datos a media y baja velocidad

c. Fibra ópticaLa fibra óptica es el resultado de combinar dos disciplinas no relacionadas, como son latecnología de semiconductores (que proporciona los materiales necesarios para las fuentes ylos detectores de luz), y la tecnología de guiado de ondas ópticas (que proporciona el mediode transmisión, el cable de fibra óptica).

La fibra óptica esta constituida por un material dieléctrico transparente, conductor de luz,compuesto por un núcleo con un índice de refracción menor que el del revestimiento, queenvuelve a dicho núcleo. Estos dos elementos forman una guía para que la luz se desplacepor la fibra. La luz transportada es generalmente infrarroja, y por lo tanto no es visible por elojo humano.

A continuación se detallan sus ventajas e inconvenientes:

Fiabilidad en la transferencia de datos.


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Inmunidad frente a interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencias. Alta seguridad en la transmisión de datos. Distancia entre los puntos de la instalación limitada, en el entorno doméstico estos

problemas no existen. Elevado costo de los cables y las conexiones.

Transferencia de gran cantidad de datos.d. Conexión sin hilos

a) InfrarrojosEl uso de mandos a distancia basados en transmisión por infrarrojos esta ampliamenteextendido en el mercado residencial para controlar equipos de audio y vídeo.

La comunicación se realiza entre un diodo emisor que emite una luz en la banda deinfrarrojos, sobre la que se superpone una señal, convenientemente modulada con lainformación de control, y un fotodiodo receptor cuya misión consiste en extraer de la señalrecibida la información de control.

Los controladores de equipos domésticos basados en la transmisión de ondas en la bandade los infrarrojos presentan gran comodidad y flexibilidad y admiten un gran número deaplicaciones.

Al tratarse de un medio de transmisión óptico es inmune a las radiaciones electromagnéticasproducidas por los equipos domésticos o por los demás medios de transmisión (coaxial,cables pares, red de distribución de energía eléctrica, etc.). Sin embargo, hay que tomarprecauciones en el caso de las interferencias electromagnéticas que pueden afectar a losextremos del medio.

b) RadiofrecuenciasLa introducción de las radiofrecuencias como soporte de transmisión en la vivienda ha venidoprecedida por la proliferación de los teléfonos inalámbricos y controles remotos.

Este medio de transmisión puede parecer, en principio, idóneo para el control a distancia delos sistemas domóticos, dada la gran flexibilidad que supone su uso. Sin embargo, resultaparticularmente sensible a las perturbaciones electromagnéticas producidas, tanto por losmedios de transmisión, como por los equipos domésticos.

Las ventajas e inconvenientes de los sistemas basados en transmisión por radiofrecuenciasson:- Alta sensibilidad a las interferencias.- Fácil interceptación de las comunicaciones.- Dificultad para la integración de las funciones de control y comunicación, en su modalidadde transmisión analógica.


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Protocolo de comunicaciones

Una vez establecido el soporte físico y la velocidad de comunicaciones, un sistema domóticose caracteriza por el protocolo de comunicaciones que utiliza, que no es otra cosa que elidioma o formato de los mensajes que los diferentes elementos de control del sistema deben

utilizar para entenderse unos con otros y que puedan intercambiar su información de unamanera coherente. Dentro de los protocolos existentes, se puede realizar una primeraclasificación atendiendo a su estandarización:

* Protocolos estándar. Los protocolos estándar son los utilizados ampliamente pordiferentes empresas y éstas fabrican productos que son compatibles entre sí, como son elX10, el EHS, el EIB y el BatiBus

* Protocolos propietarios. Son aquellos que, desarrollados por una empresa, solo soncapaces de comunicarse entre sí

Preinstalación domótica

La preinstalación domótica es la posibilidad de dejar preparada una vivienda para que se lepueda instalar el sistema domótico en el momento en que el usuario lo demande. Para queun sistema pueda ofrecer una verdadera preinstalación domótica en una vivienda, ha de sercompatible con la instalación eléctrica actual, de tal manera que el usuario pueda elegir lapreinstalación domótica y la instalación eléctrica convencional y con posterioridad, realizarcualquier tipo de automatización de su vivienda.9

9 José Manuel Huidobro, Edificios Inteligentes y Domótica, leída el 10/sep/2005,


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2.2 El Protocolo X-10

2.2.1 La teoría de transmisión del protocolo X-10

El protocolo X-10 se comunica entre transmisores y receptores mediante el envío y recepciónde señales sobre el cableado de alimentación eléctrica de un hogar.

Estas transmisiones están sincronizadas al punto de cruce por cero de la línea de corrientealterna. El objetivo es transmitir lo más cerca posible del punto de cruce por cero en unintervalo de 300 microsegundos. Se decidió sincronizar el envío de información cuandoocurre el cruce por cero porque en ese instante el ruido en la línea es menor y es más fácilamplificar la señal.

En X-10 se usan trenes de pulsos de 120kHz sincronizados con el cruce por cero de la línea.Estos trenes de pulsos tienen una duración de 1ms. Cuando se quiere transmitir un '1'

binario, se transmite el tren de 120kHz con una duración de 1ms; cuando se transmite un '0'binario, simplemente no se transmite nada.

Cada medio ciclo de onda de la señal de corriente alterna es capaz de transportar un bit deinformación.

Nota 1: Estos trenes de pulsos de 120kHz están sincronizados para coincidir con el cruce por cero de otras fases, cuando éstas son implementadas.

Figura 2.1. Tiempos de sincronización de X10

Un mensaje completo de X-10 está compuesto por un código de inicio (1110), seguido por uncódigo de casa y un código llave, dependiendo si el mensaje es una dirección o un comando.


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Las tablas 2.1 y 2.2 muestran las direcciones y códigos empleados en este protocolo.

Tabla 2.1. Códigos de casa

Códigos de CasaDirecciónCasa H1 H2 H4 H8

A 0 1 1 0B 1 1 1 0C 0 0 1 0D 1 0 1 0E 0 0 0 1F 1 0 0 1G 0 1 0 1H 1 1 0 1I 0 1 1 1J 1 1 1 1K 0 0 1 1L 1 0 1 1

M 0 0 0 0N 1 0 0 0O 0 1 0 0

P 1 1 0 0

A cada unidad que exista en la casa (sensor, dimmer, persiana, etc.) se le asigna un códigode casa y un código llave. Esta unidad sólo responderá a la unidad central cuando suscódigos casa y llave coincidan con los de la petición. Si hay alguna unidad que tenga losmismos códigos que otra, ambas responderán al llamado.

Se tienen 16 posibles códigos de casa y 16 posibles códigos llave para una unidad, conestas combinaciones se pueden controlar 256 unidades en total en una instalación eléctrica.

Cada ciclo de corriente alterna tiene un lado positivo y un lado negativo. Cada uno de estoslados es capaz de transportar un bit. El código de inicio '1110' se transmite dentro de 2 ciclosde onda, es decir, 4 semiciclos, cada uno conteniendo un bit.


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Tabla 2.2. Códigos llave

Códigos LlaveDirección de unidad

D1 D2 D4 D8 D161 0 1 1 0 02 1 1 1 0 0

3 0 0 1 0 04 1 0 1 0 0

5 0 0 0 1 0

6 1 0 0 1 0

7 0 1 0 1 08 1 1 0 1 0

9 0 1 1 1 0

10 1 1 1 1 0

11 0 0 1 1 0

12 1 0 1 1 0

13 0 0 0 0 0

14 1 0 0 0 015 0 1 0 0 0

16 1 1 0 0 0

Apaga toda unidad 0 0 0 0 1Enciende toda unidad 0 0 0 1 1

ON 0 0 1 0 1OFF 0 0 1 1 1

Reduce iluminación 0 1 0 0 1Aumenta iluminación 0 1 0 1 1

Apaga toda luz 0 1 1 0 1Código extendido 0 1 1 1 1

Petición de respuesta 1 0 0 0 1Notificación de respuesta 1 0 0 1 1

Iluminación predet. 1 0 1 X 1Código ext. analógico 1 1 0 0 1

Estado = ON 1 1 0 1 1Estado = OFF 1 1 1 0 1

C ó d i g o

s d e f u n c i ó n

Petición de estado 1 1 1 1 1

Los códigos de las tablas 1 y 2 se transmiten de forma diferente. Para transmitir un bit esnecesario que haya 2 cruces por cero, es decir, un ciclo de onda. Primero se transmite el biten el lado positivo de la onda, y en el lado negativo se transmite el bit complemento.

Un bloque completo de datos consiste en el código de inicio, el código de casa, el códigollave y el sufijo. Cada bloque de datos es enviado dos veces, con 3 ciclos de onda entre cadapar de bloques de datos.

Por ejemplo, para encender un módulo X-10 asignado a casa A, unidad 2, el siguiente trende datos debe ser mandado sobre la línea eléctrica, un bit enviado por cada cruce por cero.


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Primero se manda la dirección dos veces (figura 2):

1110 01101001 10101001 01Inicio Casa A Unidad 2 Sufijo

1110 01101001 10101001 01Inicio Casa A Unidad 2 Sufijo

Después se esperan 3 ciclos de onda:

000000

Entonces se manda el comando dos veces:

1110 01101001 01011001 10Inicio Casa A ON Sufijo

1110 01101001 01011001 10Inicio Casa A ON Sufijo

Por último, se esperan 3 ciclos de onda antes de mandar otro bloque:

000000

Hay excepciones en este método, por ejemplo, los códigos de reducir o aumentar iluminaciónno requieren la espera de 3 ciclos de onda entre comandos del mismo tipo; simplemente seenvían consecutivamente.

Figura 2.2. Envío de dirección a Unidad 2 Casa A


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CAPÍTULO 3ANÁLISIS Y CÁLCULOS


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Automatización de un hogar mediante el protocolo X-10Los microcontroladores PIC

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3.1 Los microcontroladores PIC

Los PIC16F son una familia de microcontroladores de la gama media, que se identifica portener como memoria de programa una de tipo FLASH y una serie de recursos que a

continuación se explicarán. Entre ellos se encuentran los siguientes:

• Procesador de arquitectura RISC avanzada• Juego de 35 instrucciones a nivel ensamblador• Frecuencia máxima de trabajo de 20MHz• Memoria tipo FLASH• Voltaje de alimentación comprendido entre 2 y 5.5V

Algunos de sus dispositivos periféricos son los siguientes.

• Temporizadores para control de tiempo y otros periféricos• Módulo de Captura-Comparación-PWM• Convertidor Analógico Digital

3.1.1 La arquitectura RISC Harvard

Esta arquitectura implementada por Microchip en sus microcontroladores se caracteriza porla independencia entre la memoria de código y la de datos. Así, tanto como la capacidadcomo el tamaño de los buses de cada memoria se adaptan estrictamente a las necesidadesdel diseño, facilitando el trabajo en paralelo de las dos memorias, lo que permite tener un

buen rendimiento. La filosofía RISC

10

se caracteriza por el reducido número de instruccionesque forman su repertorio. Los PIC cuentan con sólo 35 instrucciones, que se ejecutan en unciclo de instrucción, equivalente a cuatro periodos de reloj, a excepción de instrucciones desalto.

3.1.2 Frecuencias de trabajo

Los PIC pueden ser operados en cuatro diferentes modos de oscilación.

• LP. Cristal de baja potencia (hasta 4MHz)• XT. Cristal (hasta 4MHz)

• HS. Cristal de alta velocidad (de 4MHz hasta 20MHz)• RC. Resistencia-Capacitor

En este caso, se eligió la opción de cristal de alta velocidad para correr al PIC a 20MHz. Estavelocidad es requerida para poder generar una frecuencia de 120kHz como se veráposteriormente en este trabajo.

10 Del inglés, Reduced Instruction Set Computer, computadora con juego de instrucciones reducido.


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3.1.3 Memoria de programa FLASH

La memoria FLASH es un tipo de memoria EEPROM que permite que varias localidades dememoria sean programadas y leídas al mismo tiempo. Es un tipo de circuito integrado que adiferencia de las memorias RAM, retiene la información sin necesidad de estar siendo

alimentado con energía.En esta memoria se carga el programa que el PIC ha de ejecutar. Es muy conveniente tenereste tipo de memoria ya que su programación y lectura requiere de tiempos cortos y tiene lafacilidad de ser reprogramable eléctricamente.

3.1.4 Los temporizadores

Los PIC disponen de un potente conjunto de temporizadores para manejar eficientementetodas las operaciones que involucran al tiempo. Dichos temporizadores se denominan TMR.

Son capaces de funcionar como temporizadores, contadores síncronos, contadoresasíncronos, etc.

3.1.5 Módulo de Captura-Comparación-PWM

Los PIC disponen de módulos CCP que pueden realizar tres funciones principales:

1. Modo captura. Una pareja de registros de un módulo CCP captura el valor que tiene elTMR1 cuando ocurre un evento especial en la terminal CCP correspondiente.

2. Modo comparación. Se compara el valor de 16 bits del TMR1 con otro valor cargadoen una pareja de registros de un módulo CCP y cuando coinciden se produce unevento en la terminal CCP.

3. Modo de anchura de pulsos (PWM11). Dentro del intervalo del periodo de un impulsocontrola la anchura en que la señal vale nivel alto.

En el modo PWM, la terminal CCP del PIC está configurada como salida y oscila entre losniveles lógicos 0 y 1 a intervalos variables de tiempo. Lo que se intenta es obtener unimpulso cuyo nivel alto tenga una anchura variable (tiempo de trabajo) dentro del intervalo delperiodo de trabajo.

Para lograr la oscilación de la terminal CCP del PIC se integró un comparador que pone auno lógico un flip-flop cuando el valor del registro PR2 coincide con la parte alta del TMR2,momento en que el TMR2 toma el valor 00 hexadecimal. Luego el flip-flop se pone a cerocuando otro comparador detecta la coincidencia del valor existente en CCPR1H con el de laparte alta del TMR2. De esta manera, variando los valores que se cargan en PR2 y enCCPR1L se varía el intervalo de tiempo en el que la terminal de salida está en alto o bajo.

11 Del inglés, Pulse Width Modulation (PWM).


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Periodo PWM

Tiempo detrabajo

Figura 3.1. PWM

El modo que se va a utilizar en este proyecto es el PWM para que se genere la señal de120kHz que requiere el protocolo X-10.

3.1.6 El convertidor analógico a digital

Los PIC poseen un convertidor analógico a digital con una resolución que varía de acuerdo alPIC elegido, puede ser de 8 bits ó 10 bits.

La resolución que tiene cada bit procedente de la conversión está dada respecto al valor dealimentación tierra del circuito. Esta resolución se determina con la siguiente fórmula.

No.bitsResolución −+

−= ref ref

V V

Si el Vref+=5VCD y el Vref- es tierra, considerando un PIC con 10 bits de resolución, laresolución será de:

bit mV /8.4Resolución1024

5

2

05Resolución

10

=

=−

=

Por lo tanto, a la entrada analógica de 0V le corresponde una lectura digital de 00 0000 0000y para la de 5V le corresponde una de 11 1111 1111. La tensión de referencia determina loslímites máximo y mínimo de la tensión analógica que se puede convertir; en otros casos, estose puede cambiar mediante otras terminales de referencia. El voltaje mínimo diferencial es

de 2V.El voltaje de referencia puede implementarse con el voltaje interno de alimentación Vdd obien, con uno externo que se introduce por la terminal Vref+, en cuyo caso la polaridadnegativa se aplica por la terminal V ref-, este polaridad nunca debe ser menor a -0.6V.


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Automatización de un hogar mediante el protocolo X-10La automatización con PICs

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3.2 La automatización con PICs

Los microcontroladores PIC y el protocolo X-10 pueden ser fácilmente usados en laautomatización de un hogar. El microcontrolador que se va a usar debe ser elegido de

acuerdo a su capacidad de memoria de acceso aleatorio (RAM), memoria de programa(ROM), frecuencia de operación, periféricos y costos de la aplicación. La familia de los PICfue elegida por su versatilidad como microcontroladores multipropósito, memoria FLASH ymúltiples líneas de entrada salida. El protocolo se utilizará para intercomunicar la mayoría delos dispositivos que trabajarán en la automatización de la vivienda.

En este apartado se comenta como es que se ha implementado el protocolo X-10 en unmicrocontrolador PIC para crear una unidad que sea capaz de enviar y transmitir códigos X-10.

3.2.1 Descripción del hardware

Para lograr la transmisión de códigos con X-10 se va a requerir que el PIC realice cuatroactividades básicas:

• Detector de cruce por cero• Detector de señal de 120kHz• Generador de señal de 120kHz• Fuente de 5V sin transformador

Funciones X-10

Detector de cruce por cero

Detector de señal de 120kHz

Generador de señal de 120kHz

Fuente sin transformador

Aplicaciones específicas

IluminaciónSensor de presenciaSensor de humoSensor de gasControl del garageControl de cerradurasRiegoTemperaturaProtección de ventanas

Figura 3.2. Diagrama de bloques de la aplicación


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3.2.2 Detector de cruce por cero

En el protocolo X-10, la información que se envía es sincronizada con los cruces por cero dela línea de corriente alterna. Un detector de cruce por cero puede ser fácilmente creadoutilizando la interrupción externa que incluyen los PIC.

Esta interrupción externa provoca que el PIC suspenda cualquier programa que esté llevandoa cabo y atienda el cambio que existió en su terminal RB0. Esta detección puede lograrsecon la presencia de flanco izquierdo o flanco derecho12 en la señal de entrada.

La línea de corriente alterna (C.A.) trabaja a 127V, si se conectara ese voltaje a una terminaldel PIC ésta se dañaría y provocaría algún accidente. Es necesario limitar la corriente que laterminal reciba, para la cual se usará una resistencia en serie (ver figura 3.3).

En México, el voltaje nominal es de 127V, y el voltaje pico es de 180V. Si se elige unaresistencia de 1.2MΩ, la corriente que se obtendrá es de:

uAV

Ipico 1502.1

180=

Ω=

La corriente máxima que un PIC puede soportar cuando está recibiendo sobrevoltaje enalguna de sus terminales es de ±500µA. En este caso, 150µA son aceptables.

Figura 3.3. Detector de cruce por cero

El PIC contiene diodos de protección a la entrada de sus terminales entrada / salida (E/S),los cuáles detienen cualquier voltaje mayor al voltaje de alimentación del PIC y menor a latierra de alimentación (ver figura 3.4). Cuando el voltaje de C.A. está en su media ondapositiva, la terminal RB0 del PIC lo interpretará como un "uno" lógico; cuando el voltaje deC.A. está en su media onda negativa, la terminal RB0 del PIC lo interpretará como un "cero"lógico.

En cada interrupción, el PIC debe conocer cuando debe interrumpirse por un flanco izquierdoo un flanco derecho. De esta forma se detectará el cruce por cero de la media onda positivaa la negativa y viceversa.

12 El flanco izquierdo es un cambio de estado de cero lógico a uno lógico. El flanco derecho es un cambio de estado de unológico a cero lógico.


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Figura 3.4. Diodos de protección de un PIC

3.2.3 Detector de señal de 120kHz

Cuando se envía un "uno" lógico en el cruce por cero de la C.A., se envía una señal de

120kHz con una duración de 1ms. Esta señal generalmente llega a ser del orden de losmiliVolts. Es necesario filtrarla de la señal de 60Hz y amplificarla para que el PIC sea capazde procesarla.

Se debe construir un filtro pasa altas, un amplificador sintonizado y un detector de frecuencia.Estos componentes se pueden observar en la figura 3.5.

Figura 3.5. Detector de señal de 120kHz

La impedancia de un capacitor se determina con la siguiente fórmula.

πfC Zc

2

1=

Un capacitor de 0.1µF presenta una baja impedancia para la frecuencia de la señal de120kHz y una alta impedancia para la de 60Hz.

Sustituyendo los valores de frecuencia en la fórmula de la impedancia se obtiene lo siguiente:


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kΩ. µF). Hz)( )(π (

Zc

Hz f

Ω. µF).kHz)( )(π (

Zc

kHz f

5261060)(2 1

60

261310120)(2

1

120

==

=

==

=

Este filtro permite que la señal de 120kHz pase y que la señal de 60Hz sea atenuada. Dadoque la señal de 120kHz tiene un voltaje mucho menor que la de 60Hz, es necesariodesaparecer por completo la señal de 60Hz mediante un filtro resistencia-capacitor. Este filtrose muestra en las páginas del apéndice de este trabajo.

Después de que la señal de 60Hz ha desaparecido se debe amplificar la señal de 120kHz, yaque llega con un voltaje muy pequeño. En este caso, se utilizan 2 inversores configuradoscomo amplificadores de alta ganancia. En las primeras etapas se configuran como

amplificadores sintonizados a 120kHz y posteriormente como amplificadores únicamente. Laseñal amplificada de 120kHz se pasa por el detector de frecuencia, el cuál convierte el trende pulsos de 1ms a 120kHz en una señal de 1ms en estado lógico "uno", suficientementefiltrada para que el PIC la pueda recibir en alguno de sus pines E/S.

En cada cruce por cero, el PIC simplemente lee el estado de la terminal que recibe la señalde 1ms.

3.2.4 Generador de la señal de 120kHz

Es posible generar la señal de 120kHz con un circuito externo al PIC. Una terminal del PICsería la que habilitara o deshabilitara la generación de 120kHz. Pero usando uno de losmódulos de captura-comparación del PIC es posible generar esta señal, configurándolocomo modulación de anchura de pulsos (PWM).

Este módulo se configura como PWM para que funcione a 120kHz con un tiempo de trabajoal 50%, es decir, que la señal sea 50% estado alto y 50% estado bajo. Es importante que lafrecuencia que genere el PIC esté dentro del rango de ±2kHz que se establece en elprotocolo X-10.

Para generar esta frecuencia y tiempo de trabajo se tienen las siguientes fórmulas.

uskHz T

kHz f

PWM

PWM

333.8120/1

120

==

=

Se observa que el periodo de PWM es de 8.333µs, por lo tanto el tiempo de trabajo deberádurar el 50% de ese periodo, es decir, 4.166µs (tD). Esto se puede observar en la figura 3.6.


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tPWM=8.333us

tD=4.166us

Figura 3.6. Tiempos para la señal de 120kHz

Se tiene la siguiente fórmula para obtener el periodo de PWM que indica la hoja decaracterísticas de los PIC.

2))(4)(12( TMRosc PWM PRESCALERT PRT +=

En este caso, PR2 es un registro de memoria del PIC, Tosc es el periodo de oscilación delcristal con el que se corra el PIC y el PRESCALER es un predivisor de frecuencia deltemporizador interno del PIC.

41.6)1)(05.0(4

333.8

))((42

Despejando

1

05.20

1

333.8

2

2

===

=

==

=

us

us

PRESCALERT

T PR

PRESCALER

us MHz

T

usT

TMRosc

PWM

TMR

osc

PWM

Se redondea 41.6 a 41 y se sustituye en la fórmula para obtener el periodo nuevo resultante.

kHz us

f

ususT

PWM

PWM

047.1194.8

1

4.8)1)(05.0)(4)(141(

==

=+=

La frecuencia obtenida está dentro del intervalo de 120kHz ±2kHz que el protocolo X-10requiere. Ahora se calculará el tiempo de trabajo de la señal (tiempo alto).


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29

32.83)1)(05.0(

166.4)(

166.4

))()((

2

2

==

=

=

=

us

usCCPR

PRESCALERT

t CCPR

Despejando

ust

PRESCALERT CCPRt

TMRosc

D

D

TMRosc D

Se redondea el 83.32 obtenido a 83 por ser un número a ser expresado en binario y sesustituye en la fórmula.

usust D 15.4)1)(05.0)(83( ==

Este último dato es muy aproximado a los 4.166µs requeridos para el 50% del tiempo PWM.

Por último se deberá verificar que el PIC sea capaz de generar tal tiempo de trabajomediante la fórmula de la resolución.

bitskHz

MHz

PS f

f

TMR PWM

osc

39.72log

)1)(120(

20log

Resolución

2log

))((log

Resolución 2

=

=

=

El dato obtenido se redondea a 7 dado que es un número binario. Es posible determinar eltiempo de trabajo de PWM mediante una palabra de 7 bits.

El dato 83 está en código decimal, su equivalente en código hexadecimal es 0x53 y suequivalente en código binario es 1010011. Se observa que el número es de 7 bits, por lo queel PWM que se va a generar en el PIC es apropiado.

Esta salida de 120kHz será habilitada cada que sea necesario hacer una transmisión deinformación por el cruce por cero y durará un milisegundo.

La terminal por donde saldrá esta señal dependerá del PIC que se esté usando. A esta salidase conectará un transistor que simplemente acoplará la señal a la C.A. gracias al filtro pasaaltas de 0.1µF.

Esta señal durará 1ms a partir del cruce por cero. Si existe la señal, el detector la interpretarácomo uno lógico, si no existe, será interpretada como cero lógico.


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Figura 3.7. Generador de señal de 120kHz

3.2.5 Fuente de 5V sin transformador

En la mayoría de las aplicaciones que utilizan fuentes de corriente directa y que sonalimentadas por la toma de energía de corriente alterna, se utilizan transformadores parareducir el voltaje de alimentación, y puentes de diodos para rectificar la onda senoidal yobtener un voltaje casi directo con la ayuda de capacitores funcionando como filtros.

En las aplicaciones que se presentan en este trabajo es necesario reducir costos deelementos, ya que se necesitará una fuente de corriente directa para cada unidad a utilizar.No es factible montar transformadores en cada unidad, ya que son voluminosos y caros.

Se decidió utilizar una fuente sin transformador. Esta fuente utiliza diodos zener comoreguladores de voltaje y capacitores de poliéster.

El diagrama de la fuente es como se muestra en la figura 3.8.

Figura 3.8. Fuente de 5V sin transformador

Cuando un capacitor y una carga están conectados en serie a la alimentación de corrientealterna (C.A.), una corriente constante se puede mantener a través de la carga, siempre ycuando la impedancia de los capacitores sea mayor a la resistencia de la carga.

En la figura 3.8 se muestran dos capacitores que serán los encargados de recibir el voltajesobrante de la regulación que da el diodo zener de 5.1V. En ellos habrá un voltaje de120Vrms aproximadamente, considerando el voltaje de entrada como 127VCA.


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Estos capacitores deberán seleccionarse a 250V ya que trabajarán directamente con la líneade C.A. Es importante que sean de poliéster para su buen funcionamiento.

La corriente de entrada que hay en la fuente se puede determinar obteniendo el voltaje RMS

de una media onda senoidal.

V V V V V V V

V D Z PICO HFRMS 9.862

7.01.5)127(2

2 =

−−=

−−=

Posteriormente se obtiene la impedancia de los capacitores y la resistencia total.

( )Ω.

uF).uF . Hz)( ( π πfC X C 856022222602

1

2

1=

+==

La corriente de entrada es:

mAV

R X

V Ient

C

HFRMS 7.1334785.602

9.86=

Ω+Ω=

+=

De esta forma se puede alimentar una carga de 100mA aproximadamente, lo cual esapropiado para los circuitos elaborados en este trabajo.

La fuente también cuenta con un termistor conectado a Neutro, el cual funciona como fusibleante cortos. El termistor es una resistencia que varía su valor dependiendo de la corrienteque pase a través de ella. Si se produce un corto circuito, la resistencia limitará la corriente

para evitar accidentes.


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Automatización de un hogar mediante el protocolo X-10Sensores a emplear

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3.3 Sensores a emplear

En el presente trabajo se realizará la automatización de un hogar mediante varios sensores yactuadores conectados a lo largo de toda la línea C.A. El microcontrolador maestro y la

computadora a la que se conecte, estarán a cargo de indagar el estado de los sensoresinstalados en el hogar. De esta forma se conocerá el estado de una habitación y se tomaránacciones para modificarlo.

Estos sensores reportarán su estado al PIC mediante señales digitales (salidas tipo TTL) omediante voltajes analógicos, los cuales podrán ser convertidos a información digital por elPIC al que estén conectadas esas señales y posteriormente el PIC las enviará mediante elbus X10.

Los sensores que se emplearán en la automatización serán los siguientes:

• Sensor de iluminación• Sensor de humo• Sensor de presencia• Sensor de temperatura• Sensor de humedad• Sensor de gas

El PIC pedirá a la unidad a la que el sensor está conectado que envíe su estado. Habrásensores que no muy frecuentemente reporten su estado, como el de temperatura o dehumedad, ya que el cambio de estas variables es tardío. Pero sensores como el de humo ogas serán revisados frecuentemente.

3.3.1 Sensor de iluminación

El sensor de iluminación que se usará es una fotorresistencia. Las fotorresistencias o LDR13 son elementos que varían su resistencia dependiendo de la luz que reciban en su superficie,la cual está hecha con semiconductores. Si la luz recibida tiene una incidencia suficiente, losfotones recibidos por el semiconductor generan una liberación de electrones. Esta liberaciónde electrones facilita el flujo de corriente y hace variar el valor de la resistencia.

Mediante la experimentación se ha obtenido el valor en Ohms de la fotorresistencia en dossituaciones:

• Oscuridad, valor promedio 1MΩ • Mucha iluminación, valor promedio 4kΩ

13 Del inglés, Light Dependent Resistor, resistencia que depende de la luz.


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Es importante notar que el valor de resistencia varía dependiendo de la fotorresistencia aelegir. En nuestro caso se conecta la fotorresistencia como se ve en la siguiente figura.

Figura 3.9. Sensor de iluminación

Mediante experimentación se observó también que la iluminación ideal de luz solar para unahabitación común generaba una resistencia de 5kΩ aproximadamente en la fotorresistencia.El voltaje que se maneja en la fuente será de 4.8V, ya que usando la fuente de 5V capacitivase obtiene un voltaje de 5.3V. El voltaje de 4.8V se obtiene simplemente conectando undiodo en serie a la salida de 5.3V y el voltaje bajará. El voltaje del circuito será leído por unaterminal ADC14 del PIC. Este convertirá ese voltaje a un valor binario, el cual será comparadocon un voltaje de referencia, el cual es un voltaje generado por la fotorresistencia de 5kΩ y laresistencia de 820Ω.

Si el voltaje medido es menor que el de referencia, quiere decir que la iluminación disminuyó.

Se activarán las luces de la habitación a petición del usuario o de forma automática. Si elvoltaje medido es mayor que el de referencia, quiere decir que la iluminación aumentó y nohabrá cambios en el encendido de luces.

Los cálculos para esta fotorresistencia son como se ve a continuación. Se calcula el voltajede referencia, con este voltaje se comparará la iluminación medida con la deseada.

V uAV

V k uAV

uAk

V

R

Vdd I

k

R

LDR

T

T

68.0)820(824

12.4)5(824

82482.5

8.4

82.55000820R

820R

5k LDR

4.8VVdd

T

=Ω=

=Ω=

=Ω

==

Ω=Ω+Ω=

Ω=

Ω=

=

14 Del inglés, Analogic Digital Converter, convertidor analógico digital.


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Se observa que el voltaje que la terminal del PIC recibirá es el de la resistencia de 820Ω, porlo tanto el voltaje de referencia será de 0.68V.

3.3.2 Sensor de humo

El sensor de humo se utilizará para la detección de algún incendio en las habitaciones. Sufuncionamiento se basa en la detección de partículas en el aire, las cuales reflejarán la luzque un LED15 de alta luminiscencia emite. Si esa luz llega a una fotorresistencia colocada auna distancia corta, se dispara un amplificador operacional configurado como comparador yhabrá una salida de 5V. En caso contrario habrá 0V.

Se debe ajustar la resistencia de 10kΩ para evitar activaciones erróneas; es posible que elcircuito active su salida sin haber detección de luz en la fotorresistencia. A continuación semuestran el armado del sensor y su circuito.

Figura 3.10. Ensamble del sensor de humo

Figura 3.11. Circuito electrónico del sensor de humo

15 Del inglés, Light Emisor Diode, diodo emisor de luz.


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3.3.3 Sensor de presencia

El sensor de presencia se utilizará para detectar la existencia de personas en una habitación.Cuando pase gente por una entrada, ya sea una puerta o pasillo, el sensor notificarámediante una salida de 5V esa presencia.

Se realizará mediante emisores y receptores de luz infrarroja. Se ubicarán en puntosespecíficos de las habitaciones por donde los usuarios necesariamente deban pasar para serdetectados.

La luz infrarroja será enviada en pulsos de frecuencia de 1kHz aproximadamente para evitarque otras fuentes de luz (solar o de controles remotos infrarrojos) intervengan en la detecciónde presencia. Estos trenes de pulsos rebotarán sobre los objetos detectados hacia losreceptores. A continuación se muestra el circuito del sensor de presencia.

Figura 3.12. Sensor de presencia

El circuito integrado LM567 es un generador / decodificador de pulsos. Primero genera unafrecuencia aproximada de 1kHz y la transmite hacia la habitación por un LED infrarrojo.Posteriormente la recibe por un optotransistor y compara la frecuencia enviada con larecibida, si es la misma, desactiva su salida, y por lo tanto, el transistor BC558 (PNP) cierrael circuito del LED que indica la presencia de un objeto.

Es importante tener una correcta alineación del emisor y del receptor, ya que si no estánalineados nunca habrá el rebote de la señal.


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3.3.4 Sensor de temperatura

La temperatura es una variable importante en el ambiente de una habitación. Para registrar latemperatura de una habitación de forma aceptable se eligió el circuito integrado LM35.

Figura 3.13. Sensor de temperatura LM35

Este integrado ofrece una salida en voltaje directamente proporcional a la temperatura en

grados centígrados que registra. No es necesario aplicar circuitería externa a este integradopara adecuar el voltaje que entrega, tampoco requiere calibración. Puede usarse con unafuente de una polaridad (positiva) o con fuentes bipolares. Está diseñado para operar con unintervalo de -55°C a +150°C.

La fórmula que determina el voltaje que el LM35 entregará es la siguiente.

)(10

T C

mV V salida °

=

Donde T está dado en °C. Si se estuviera registrando una temperatura de 25.5°C seentregaría el siguiente voltaje.

V mV V

C C

mV V

salida

salida

255.0255

)5.25(10

==

°°

=

En la habitación se considerará que habrá un rango de temperaturas de 0°C a 50°C. Estasmediciones pueden ser hechas correctamente por el LM35. En caso de que hayatemperaturas bajo cero, el LM35 tendría que ser alimentado con una fuente negativa devoltaje para poder proveer un voltaje negativo proporcional a la temperatura. Esta etapa no

se implementará, ya que la existencia de temperaturas menores a cero grados es pocoprobable.

El PIC será el encargado de activar o desactivar los controles de calefacción o ventilación delas habitaciones dependiendo de cual sea la temperatura que el usuario desee tener.


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3.3.5 Sensor de humedad

El sensor de humedad será utilizado en la automatización del riego del hogar. Sedeterminará el nivel de humedad que exista en el jardín, y si está por debajo del nivelrecomendado, el PIC conectado al sensor notificará al sistema central que es necesario

activar las válvulas de riego del jardín por cierto tiempo.Existen diversos tipos de sensores de humedad, dentro de los cuales existen del tipo básico,que son capacitores que varían su capacitancia de acuerdo a la humedad del ambiente, lacual se mide en porcentajes.

Otros modelos más avanzados incluyen circuitos integrados que adecuan la capacitanciaentregada por el sensor a frecuencias de salida o a voltajes analógicos. En este trabajo seutilizará uno que presenta un voltaje análogo a la salida. Este sensor es el HM1500LF deHumirel.

Figura 3.14. Sensor de humedad HM1500LF

Este sensor es de tamaño pequeño y está protegido contra inmersión en agua. Su voltaje dealimentación es de 5V y presenta una salida directamente proporcional a la humedad relativamedida.

La fórmula para obtener el voltaje de salida es la siguiente.

mV HR ]107968.25[Vsalida +=

El voltaje de salida para una humedad relativa del 50% se calcula como ejemplo.

V 363.2]1079)50(68.25[Vsalida =+=

El voltaje máximo que puede entregar el HM1500LF es de 3.6V, cuando mide el 100% dehumedad relativa. En este caso el voltaje de salida está en un rango aceptable para unaterminal ADC del PIC. El PIC convertirá ese voltaje y determinará si está por debajo del


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voltaje de referencia. Si esta debajo encenderá los aspersores por cierto tiempo paramantener al jardín con una humedad constante.

HM1500LFRAx

PIC

+5V

Tierra

Vsal

Figura 3.15. Conexión del sensor de humedad

3.3.6 Sensor de gas

En una vivienda siempre se cuenta con instalaciones de gas para la cocina o elcalentamiento del agua. En ocasiones existen fugas de gas accidentales que puedenterminar en algún accidente importante.

Se van a construir detectores de gas para ser instalados en las habitaciones en las que secuente con tubería de gas. Este sensor debe ser capaz de detectar gases como el metano oel propano y debe ser de bajo precio y larga duración.

Se eligió el sensor TGS813 de la compañía FIGARO. Las características de este sensor son:sensor de uso general con detección de una gran variedad de gases, alta sensibilidad almetano, butano y propano, circuito eléctrico de aplicación simple, uso destinado a fugas de

gas y alarmas, detectores portátiles de gas.

Figura 3.16. Sensor de gas TGS813 de FIGARO

El TGS813 cuenta con una resistencia que var

tesis-automhogar x10 migsantiago

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