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Proyecto Fin de Carrera Ingeniero Técnico Industrial Especialidad Electrónica Curso 2013-2014 Sistema electrónico para el ahorro eléctrico en los hogares Autor: Santiago Villarroya Garcés Departamento de Ingeniería Electrónica y Comunicaciones Universidad de Zaragoza Director: D. José María López Pérez Zaragoza, Junio 2014 Escuela de Ingeniería y Arquitectura A mi familia y amigos. Agradecimientos Me gustaría agradecer en estas líneas a todas las personas que han formado parte directa e indirectamente en la elaboración de este proyecto. En primer lugar, agradecer a mis padres, a mi hermana, a Raquel y a mi familia el apoyo mostrado durante todo este tiempo y hacer posible la realización de mis estudios. Por otro lado, a todos los compañeros que han estado en los buenos y malos momentos, en especial a Hector Rillo con quién he compartido más horas de laboratorio de las que podría contar. También querría expresar mi gratitud a los compañeros de diseño con los que he desarrollado conjuntamente el proyecto, Paz Hernando, Eduardo López, Isabel Lozano y Alejandra Lahoz . De igual manera, quiero agradecer a José María López la dedicación, la implicación y orientación en éste trabajo. Por último, agradecer el apoyo desinteresado de los compañeros del laboratorio por estar siempre dispuestos a prestarme su ayuda y consejo en cualquier cuestión. A todos ellos, gracias. Resumen Este trabajo se centra en el desarrollo de un nuevo producto, Bee-Light. Se corresponde con un modelo de proyecto Tipo B. En las siguientes líneas se describe con gran detalle todas las fases que se han ido siguiendo y cumplimentando, desde la idea que sugirió el concepto hasta su completo desarrollo físico y su implementación electrónica. La razón de éste proyecto es reducir el consumo de energía eléctrica mejorando los hábitos de uso de los dispositivos electrónicos desde edades tempranas. El desarrollo se ha llevado a cabo entre grupos de diseñadores y electrónicos, trabajando de forma colaborativa y avanzando paralelamente para conseguir completar las distintas fases. Bee-Light es un interruptor que avisa que hay que apagar la luz al salir de la habitación, y además, posee unas funcionalidades que no tiene ningún otro dispositivo de la competencia. Va dirigido para los más pequeños del hogar. Con las características que tiene se pretenden inculcar una serie de buenos hábitos en los niños. Se dirige a ellos porque son quienes no tienen definidas unas rutinas de actuación y si tienen algún mal hábito todavía se puede corregir, cabe decir que las personas adultas tienen muy arraigados sus hábitos y es muy difícil cambiarlos. Proyecto Fin de Carrera 1 Índice Capítulo 1. Introducción ............................................................................................................... 5 1.1 Descripción del proyecto ............................................................................................... 5 1.2 Objetivos del proyecto .................................................................................................. 6 1.3 Motivación e importancia del ahorro energético ......................................................... 7 1.4 Herramientas utilizadas................................................................................................. 8 Capítulo 2. Descripción general ................................................................................................... 9 2.1 Ámbito del proyecto ...................................................................................................... 9 2.2 Fases de desarrollo del proyecto ................................................................................ 10 2.2.1 Planificación del proceso, búsqueda de información y análisis ............................. 10 2.2.2 Generación de conceptos y selección de proyectos ............................................... 18 2.2.3 Desarrollo de las alternativas seleccionadas y presentación. ................................ 23 Capítulo 3. Elección y descripción del producto ........................................................................ 24 3.1 Desarrollo del concepto elegido ................................................................................. 24 3.2 Especificaciones del producto ..................................................................................... 25 3.3 Evolución del producto ............................................................................................... 26 3.4 Funciones del dispositivo ............................................................................................ 27 3.4.1 Principal .................................................................................................................. 28 3.4.2 Controlador de otros dispositivos luminosos. ........................................................ 28 3.4.3 Modo Noche. .......................................................................................................... 28 3.4.4 Registro y procesamiento de la hora de ir a dormir. .............................................. 28 Capítulo 4. Instrucciones y Ergonomía....................................................................................... 29 4.1 Usuario y entorno........................................................................................................ 29 4.2 Secuencia de uso ......................................................................................................... 30 4.3 Forma y estructura ...................................................................................................... 32 4.3.1 Dimensiones ........................................................................................................... 33 Capítulo 5. Implementación software y hardware .................................................................... 35 5.1 Software y entorno elegido para la programación ..................................................... 35 5.1.1 Antecedentes .......................................................................................................... 35 5.1.2 Características principales a la hora de elegir microcontrolador ........................... 36 5.1.3 Descripción del microcontrolador elegido ............................................................. 37 5.2 Funcionalidad principal ............................................................................................... 41 Proyecto Fin de Carrera 2 5.2.1 Detección de la luminosidad .................................................................................. 42 5.2.2 Detector de movimiento ........................................................................................ 44 5.2.3 Aviso lumínico ......................................................................................................... 47 5.3 Funcionalidades secundarias ...................................................................................... 50 5.3.1 Detección de otros dispositivos luminosos ............................................................ 50 5.3.2 Modo noche ............................................................................................................ 55 5.3.3 Registro y procesamiento de la hora ...................................................................... 59 5.4 Prototipo final sobre placa blanca .............................................................................. 61 Capítulo 6. Conclusiones y líneas futuras .................................................................................. 62 6.1 Conclusiones ................................................................................................................ 62 6.2 Líneas de futuro........................................................................................................... 63 Anexos ......................................................................................................................................... 64 Anexo I. Brief ........................................................................................................................... 65 Anexo II. Comunicación Infrarroja........................................................................................... 66 Anexo III. Código de programación completo ......................................................................... 72 Anexo IV. Planos ...................................................................................................................... 85 Conexión a la Red ................................................................................................................. 85 Alimentación ........................................................................................................................ 85 Plano del esquemático ......................................................................................................... 86 Interconexionado de componentes a la PCB ....................................................................... 86 Plano espacial ....................................................................................................................... 87 Plano PCB 3D ........................................................................................................................ 88 Plano PCB ............................................................................................................................. 89 Anexo V. Dossier de los diseñadores reducido ....................................................................... 90 Anexo VI. Datasheets ............................................................................................................ 115 Bibliografía ................................................................................................................................ 143 Proyecto Fin de Carrera 3 Acrónimos LCD Liquid Crystal Display PTC Positive Temperature Coefficient NTC Negative Temperature Coefficient LDR Light Dependent Resistor LVDT Linear Variable Differential Trasnformer KW Kilo - Watio V Voltios PCB Printed Circuit Board LED Light Emitting Diode CPU Central Processing Unit KHz Kilo - Herzio Kb Kilo - Byte IR Infra - Red LD Láser Diode A/D Analógico / Digital USB Universal Serial Bus PWM Pulse Whidt Modulation SRAM Static Random Acces Memory SMD Surface Mounting Device THD Through Hole Device IDE Integrated Development Environment GND Ground PIR Passive Infra Red RGB Red Green Blue I2C Inter Integrated Circuits EEPROM Electrically Erasable Progammable Read-Only Memory Proyecto Fin de Carrera 4 Índice de tablas Tabla 1: Comparativa sobre el consumo de los principales electrodomésticos. Tabla 2: Principales características y parámetros que definen un sensor. Tabla 3: Tabla comparativa entre distintos tipos de sensores y las magnitudes que miden [3]. Tabla 4: Tabla ilustrativa de los distintos fabricantes de microcontroladores y sus patentes. Tabla 5: Ejemplos de receptores IR y sus parámetros característicos. Tabla 6: Clasificación de láseres de acuerdo con la potencia emitida, se considera que la fuente es puntual. La clase 1 es considerada como segura para los ojos. Tabla 7: Materiales semiconductores utilizados en Leds y su relación con la longitud de onda emitida y la energía de la banda prohibida. Proyecto Fin de Carrera 11 Tabla 1: Comparativa sobre el consumo de los principales electrodomésticos. La otra fue el modo STAND-BY del que disponen muchos aparatos electrónicos y obteniendo un resultado alarmante. "El modo stand-by supone el 12% de la factura eléctrica y el 1% de las emisiones de CO2 del planeta". Tareas del electrónico Equipo de electrónica: Oficina Técnica con método Defensor de la idea. Los estudiantes de electrónica se organizarán en equipos, pero cada uno de sus miembros colaborará con uno o dos equipos de diseño en la fase conceptual, y participará en la propuesta de un producto en el momento indicado, que competirá con el producto del otro equipo que se le asigne con el mismo escenario. Los electrónicos realizarán una investigación sobre tecnologías electrónicas, tanto hardware como software. Esta investigación incluirá la búsqueda de componentes en el mercado, fundamentando criterios de selección en cuanto a funcionalidad, disponibilidad, precio, etc. Toda esta información se irá poniendo en común con los Proyecto Fin de Carrera 12 diseñadores, para que así se vayan concretando las posibles ideas de producto de manera que sean coherentes con las tecnologías electrónicas aplicables. El estudio respecto a las tecnologías disponibles y viables abrió todo un abanico de posibilidades gracias a todos tipos de sensores que existen actualmente en el mercado, de temperatura, caudal, oscilaciones, luminosidad, etc, las posibilidades que éstos ofrecen y los dispositivos electrónicos que pueden adaptarse a productos ya existentes como pantallas LCD, teclados matriciales, motores, para poder generar nuevas funcionalidades en ellos. Figura 2.2. Distintos tipos de sensores y dispositivos adaptables a microcontroladores. ¿Qué es un sensor? Un sensor no es más que un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular. Figura 2.3. Esquema representativo del funcionamiento de los sensores. Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc... todos aquellos SISTEMA DE MEDIDA - Temperatura - Presión - Velocidad - Luz - pH etc. - Visualización - Almacenamiento - Transmisión ENTRADAS SALIDAS Proyecto Fin de Carrera 13 componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes activos. Para valorar la calidad de un sensor hay que atender a sus características. Tabla 2: Principales características y parámetros que definen un sensor. Aunque es un poco complicado realizar una clasificación única, debido a la gran cantidad de sensores que existen actualmente, una clasificación podría ser la siguiente: Según el principio físico de funcionamiento -Activos -Pasivos Según el tipo de señales que generan -Analógicos -Digitales -Temporales Clasificación de los sensores Según el campo de valores que miden -De media -Todo o nada (On - Off) -Discretos Según la forma constructiva -Integrados -Inteligentes Según el tipo de variable física medida Esquema 1: Principal clasificación de los sensores. Profundizando un poco más en esta clasificación Proyecto Fin de Carrera 14 -Piezoeléctricos -Fotoeléctricos -Fotoemisivos Activos (Generadores) -Fotovoltaicos -Termoeléctricos (Termopares) -Magnetoeléctricos -Electromecánicos Clasificación de los sensores según el principio físico de funcionamiento -Otros -Resistivos -Potenciómetros -Termorresistivos -Extensiométricos -Magnetorresistivos -Electroquímicos Pasivos (Moduladores) -Capacitivos -Inductivos -Transformador variable -Magnetoestrictivos -Semiconductores -Otros Esquema 2: Clasificación de los sensores según su principio físico de funcionamiento. Señales variables -Periódicas - No periódicas Analógicos Según el tipo de señal Clasificación de los sensores según el tipo de señal eléctrica que generan Señales continuas Según la polaridad -Unipolares -Bipolares Digitales Señales senoidales -Frecuencia -Fase Temporales Señales cuadradas -Frecuencia -Relación alto/bajo -Duración de un impulso -Número total de impulsos Esquema 3: Clasificación de los sensores según el tipo de señal eléctrica que generan. Proyecto Fin de Carrera 15 Clasificación de los sensores según el principio físico de funcionamiento -Presión -Temperatura -Humedad -Fuerza -Desplazamiento -Velocidad -Aceleración -Caudal -Presencia -Nivel de líquidos -Químicos -Magnitudes eléctricas -Magnitudes ópticas -Otros Esquema 4: Clasificación de los sensores según la variable física que miden. En la siguiente tabla se nombra una gran mayoría de los sensores existentes en el mercado. Tabla 3: Tabla comparativa entre distintos tipos de sensores y las magnitudes que miden [3]. Debido al ámbito de nuestro proyecto, inicialmente nos centramos en los posibles sensores que pudieran ser utilizados en él. Como se trata de consumo eléctrico por los que más nos decantamos fueron los sensores de luminosidad y de temperatura. Más información en [3]. Proyecto Fin de Carrera 16  Sensores de luminosidad Fotodiodo: Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. El mecanismo básico de operación de estos dispositivos tiene su origen en la generación de pares electrón-hueco como consecuencia de la aplicación de una iluminación exterior. Figura 2.4. Fotodiodo convencional. Fototransistor: Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el efecto de la ganancia del transistor. Figura 2.5. Fototransistor. Fotorresistencias: Es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. El valor de resistencia eléctrica de una LDR es bajo cuando hay luz incidiendo sobre ella (ohmios) y muy alto a oscuras (megohmios). Figura 2.6. Fotorresistencia. Proyecto Fin de Carrera 17  Sensores de temperatura Termopares: Los termopares son los sensores de temperatura utilizados con mayor frecuencia porque son sensores precisos relativamente económicos que pueden operar en un amplio rango de temperaturas. Un termopar se crea cuando dos metales diferentes se juntan y el punto de contacto produce un pequeño voltaje de circuito abierto como una función de temperatura. Puede usar este voltaje termoeléctrico, conocido como voltaje Seebeck para calcular la temperatura. Para pequeños cambios en temperatura, el voltaje es aproximadamente lineal. Figura 2.7. Termopar. RTD: Un RTD de platino es un dispositivo hecho de bobinas o películas de metal (platino generalmente). Al calentarse, la resistencia del metal aumenta; al enfriarse, la resistencia disminuye. Pasar corriente a través de un RTD genera un voltaje en el RTD, al medir este voltaje, se puede determinar su resistencia y por lo tanto, su temperatura. La relación entre la resistencia y la temperatura es relativamente lineal. Generalmente, los RTDs tienen una resistencia de 100 Ω a 0 °C y pueden medir temperaturas hasta 850 °C. Figura 2.8. RTD. Termistor: Un termistor es una pieza de semiconductor hecha de óxidos de metal que están comprimidos en una pieza, disco, oblea u otra forma y son sometidos a altas temperaturas. Por último son cubiertos con epoxi o vidrio. Al igual que con los RTDs, se puede pasar una corriente a través de un termistor para leer el voltaje en él y determinar su temperatura. Sin embargo, a diferencia de los RTDs, los termistores tienen más alta resistencia (2,000 a 10,000 Ω) y una sensibilidad Proyecto Fin de Carrera 18 mucho más alta (~200 Ω/°C), permitiéndoles alcanzar más alta sensibilidad en un rango de temperatura limitado (hasta 300 °C). Figura 2.9. Termistor. 2.2.2 Generación de conceptos y selección de proyectos En esta fase tras realizar los análisis necesarios los diseñadores proponen un mínimo de tres conceptos de producto, y los electrónicos expondrán los recursos electrónicos utilizables, así como los componentes concretos disponibles. De cada escenario se seleccionará un único producto por parte de los profesores, valorando el grado de innovación y creatividad y su potencial de viabilidad y aplicación, pudiendo contar con la opinión y participación de otros expertos, que aportarán el punto de vista del cliente. Los conceptos propuestos por cada grupo son los que describimos a continuación: Conceptos grupo de tardes • Concepto 1: Climatización Básicamente se trata de una pantalla que muestra la temperatura actual, la ideal (a la que deberías estar para tener un equilibrio de energía y confort), y la diferencia entre ambas traducida en €. La característica de poner la diferencia en euros se debe a que a la gran mayoría de las personas les conciencia o les impacta más ver el dinero derrochado que ver indicadores de consumo. La composición de este dispositivo a grandes rasgos se compondría de una pantalla donde se muestre la información. Un termómetro, o cualquier tipo de sensor que mida temperatura, para calcular la temperatura ambiente. Un microprocesador para calcular el consumo actual de la calefacción, restarlo a la ideal, y pasar esa diferencia a euros Proyecto Fin de Carrera 19 mediante un algoritmo. Y por último un sensor capaz de detectar si se enciende la calefacción o el aire acondicionado. Figura 2.10. Prototipo del concepto climatización correspondiente al grupo de tardes. • Concepto 2: Standby Regleta o regletas a las que se conectan diversos dispositivos de la casa y que mediante comunicación inalámbrica podamos apagarlo cuando vayamos a salir de casa o a dormir. La idea surge debido al gran consumo que realiza el sumatorio de los electrodomésticos en este estado. Habría que utilizar unos módulos de comunicación inalámbrica en principio de RF o IR, un emisor y varios receptores y que éstos activaran un relé o algún mecanismo que hiciera apagar la regleta. También un visualizador que indicara el número de la regleta seleccionada, todo ello contralado por un microcontrolador. Figura 2.11. Prototipo del concepto Standby correspondiente al grupo de tardes. Proyecto Fin de Carrera 20 • Concepto 3: Limbo Interruptor atractivo a los niños, que les enseña y les educa a que al salir de la habitación tengan que apagar la luz. Mediante un sensor de proximidad que detectase al niño cuando se acerca a la puerta el interruptor cambia su apariencia (luz, color, sonido, movimiento….) como método de aviso de que hay algún aparato encendido. La idea proviene a partir de que los niños son a quienes es más fácil inculcarles unos hábitos y rutinas, ya que están en su etapa de desarrollo y no tienen sus costumbres tan definidas como las personas adultas, y adopten una postura de concienciación sobre el gasto de luz desde pequeños. Los componentes de este aparato serían un detector de movimiento, y accesorios como leds, zumbadores piezoeléctricos o motores que realicen algún movimiento mecánico. El control también se lleva a cabo con un microcontrolador, la alimentación puede realizarse a través de la red. Figura 2.12. Prototipo del concepto Limbo correspondiente al grupo de tardes. Conceptos grupo de mañanas • Concepto 1: Flexo Lámpara o flexo que pueda regular la cantidad de luz generada en función de la tarea que se va a desempeñar. Se programaran una serie de tareas y para cada una se estudiará la iluminación más adecuada, se medirá la iluminación ambiente y la luz necesaria para alcanzar el valor mínimo programado la aportará nuestra lámpara. La idea proviene de observar que muchas veces se está con más luz de la necesaria en casa. Proyecto Fin de Carrera 27 Las siguientes funciones quedan descritas en el siguiente apartado, pues son las que constituyen el producto. Por su forma, se pensó en la posibilidad de crear un personaje, y que el interruptor propiamente dicho fuera la “barriga” del personaje. En un primer momento se creó un personaje abstracto, únicamente constituido por el círculo central, que sería el cuerpo, dos ojos saltones y dos manos; más tarde se pensó en buscar inspiración en el mundo animal, para que el niño le resultara más familiar y surgió la idea de que el interruptor fuera una abeja. Por otro lado, el código de color utilizado incluye tonos vivos, cálidos, que se asemejan a los colores propios del animal que se intenta emular, y que transmitan al niño sensación de alegría y energía. Figura 3.2. Proceso evolutivo al que se ha visto sometido el producto desde su forma inicial a su forma final. 3.4 Funciones del dispositivo El dispositivo dispone de una serie de funciones que se explican a continuación. Se separan en dos partes, la función principal, que es la que cumple con los requisitos del proyecto, y las funciones secundarias que mejoran las usabilidad y funcionalidad del aparato. Proyecto Fin de Carrera 28 3.4.1 Principal El concepto inicial de producto era un dispositivo que inculcara al usuario la costumbre de apagar la luz al salir de su habitación. Una vez seleccionado el concepto dimos paso a su desarrollo funcional, entrando en detalle a sus posibilidades de usabilidad, para hacer de él un producto útil, competitivo en el mercado y que realmente aporte un beneficio a su comprador. Partiendo de la idea conceptual inicial, que se mantiene intacta, el dispositivo consta de las siguientes funciones: 3.4.2 Controlador de otros dispositivos luminosos. Se pretende aumentar la mentalidad de concienciación y el ahorro energético en la habitación en la que el interruptor esté instalado. Esto es, el dispositivo no sólo controla el funcionamiento de la luz general de la estancia, sino la de cualquier otro elemento que esté conectado en ese momento a la red (flexo, luz de la mesita de noche,...). 3.4.3 Modo Noche. Es una opción que permite el uso de luces o música para acompañar al niño por la noche, desde que se acuesta hasta que se duerme. Es relajante e incluso le puede ayudar a superar ciertos miedos de la edad. Se trata de un interruptor secundario que acciona un juego de luces de un color azul tenue, creando sensación de confort durante un periodo estipulado de 15 minutos. También existe la opción de que suene una melodía durante ese tiempo. 3.4.4 Registro y procesamiento de la hora de ir a dormir. Se trata de un programa que ayuda al niño a tomar la costumbre de irse a la cama más o menos a la misma hora todos los días, a marcarle sutilmente un horario de descanso. El registro se realiza cuando el usuario acciona el modo noche, en ese instante se guarda la hora y se hace un cálculo para saber más o menos a qué hora se suele acostar. Proyecto Fin de Carrera 29 Capítulo 4. Instrucciones y Ergonomía Capítulo dedicado a las instrucciones de uso y descripción física del producto [Anexo V]. Forma parte del dossier del proyecto de los diseñadores donde todo está explicado con más detalle. 4.1 Usuario y entorno Este tipo de dispositivo está pensado para los niños que empiezan a tener un poco más de autonomía de sus padres, en torno a 4 años, pudiendo estar jugando en otra habitación sin la supervisión de éstos o recorriendo el hogar de manera independiente. Coincide con la edad en que el niño empieza a ser más consciente sobre sus actos y comienza a ser más responsable y a crear hábitos. Debido a su temprana edad es demasiado pequeño para entender datos gráficos (tablas), mensajes de aviso, ya que por norma general es entonces cuando comienzan a aprender a leer. Por tanto, el producto ha de ser muy intuitivo, y se utilizan señales visuales (luces), acústicas o mecánicas, es decir, acciones que llamen la atención del niño y aprenda rápidamente su significado. Este producto servirá para crearle un hábito de forma inconsciente y ayudar así al ahorro energético de la casa. Los padres encontrarán que el producto es un dispositivo sencillo, útil y que además crea buenos valores sin esfuerzo por parte de éstos. Además de esto, tiene una instalación sencilla y cómoda. La instalación del dispositivo será en la habitación del niño, donde él juega, duerme, es decir, el espacio que tiene dentro del hogar. Especificando un poco más, se debe instalar sustituyendo al interruptor, que por norma general, tienen las habitaciones al lado de la puerta. Proyecto Fin de Carrera 30 Figura 4.1. Posible entorno de aplicación del producto. 4.2 Secuencia de uso La secuencia de uso y método de funcionamiento se entiende de forma clara en las siguientes ilustraciones. Figura 4.2. Secuencia de uso correspondiente a la función principal del dispositivo. Proyecto Fin de Carrera 31 Figura 4.3. Secuencia de uso correspondiente a la función Modo noche del dispositivo. Figura 4.4. Secuencia de uso correspondiente a la función secundaria del dispositivo. Proyecto Fin de Carrera 32 4.3 Forma y estructura La estructura del interruptor se puede dividir en: • Base: sirve de unión del interruptor con la red. Dentro de esta parte iría la placa y el botón de la función de noche. Además sirve como soporte de otros elementos decorativos como pueden ser las alas y los ojos del producto. Figura 4.5. Imagen de la carcasa trasera del producto. • Carcasa intermedia: va integrada dentro de la carcasa, y no se ve a simple vista, pero sirve para fijar algunas partes, como pueden ser los ojos. También hace de soporte para el botón principal de encendido y apagado del dispositivo. Además, es opaca y solo tiene unos agujeros para poder dejar pasar los leds y que estos iluminen el botón. Figura 4.6. Imagen de la carcasa protectora de la PCB. • Carcasa superior: sirve para tapar todo el interior del dispositivo, además de terminar la parte superior de forma redondeada junto con el botón. Esta carcasa, iría atornillada a la base mediante tornillos traseros. Figura 4.7. Imagen del embellecedor del producto. Proyecto Fin de Carrera 33 • Elementos externos: las alas son el único elemento que no tiene función alguna más que decorativa y de afirmar la idea del animal en cuestión. En los ojos irían alojados dos sensores, uno de movimiento y otro como receptor de otro dispositivo. El aguijón es un botón que activa el modo noche. Figura 4.8. Elementos externos que contribuyen al funcionamiento del dispositivo. 4.3.1 Dimensiones Atendiendo a la edad del usuario que usará el producto, se han estudiado sus medidas antropométricas, que han servido para establecer las dimensiones básicas del producto. En rasgos generales, se tomaron conciencia de dos magnitudes básicas: Figura 4.10. Colocación ideal del dispositivo. Dimensiones generales: A continuación se muestran las medidas más representativas del producto. Dimensiones que informan de una forma rápida al usuario comprador sobre el tamaño del producto. Proyecto Fin de Carrera 34 Figura 4.11. Dimensiones externas del dispositivo. Por otro lado, una de las máximas del buen diseño que queremos respetar es que la forma del producto debe seguir a la función. Esto significa que el desarrollo formal no tiene que ver únicamente con que el producto final resulte estéticamente atractivo, sino que todos los componentes internos deben de estar alojados de manera óptima para que el dispositivo cumpla con su misión. Es decir hay que diseñar la forma del producto tanto por el exterior como por el interior. Además hay que tener en cuenta que al ser un dispositivo electrónico tendrá que ir conectado a la red, lo cual repercute en el diseño de la carcasa. Proyecto Fin de Carrera 35 Capítulo 5. Implementación software y hardware Una vez ya está detallado que funciones ha de cumplir el producto se procede al diseño electrónico completo. A nivel general, los bloques necesarios son los siguientes: Esquema 5: Diagrama de bloques general. 5.1 Software y entorno elegido para la programación El mundo de los microcontroladores es muy amplio y en su elección intervienen diversos factores. 5.1.1 Antecedentes Hasta ahora productos similares estaban compuestos por complejos circuitos y con sensores de carácter invasivo, lo que dificulta en gran medida su instalación. Para simplificar nuestro dispositivo se utiliza un microcontrolador. Actualmente cada vez más productos incorporan un microcontrolador con el propósito de aumentar sus prestaciones, reducir su tamaño, reducir su coste y disminuir el consumo. Un microcontrolador es un integrado que contiene un microprocesador, memoria (de programa y de datos) y unidades de entrada/salida (puertos paralelo, serie, conversores A/D o D/A, temporizadores, etc). Se les han ido incorporando más capacidades que les permiten la interacción con el mundo físico en tiempo real. Proyecto Fin de Carrera 36 Estructura general de un microcontrolador: Esquema 6: Representación de la composición de un microcontrolador. Actualmente los fabricantes más importantes de microcontroladores son los que se exponen en la siguiente tabla. Tabla 4: Tabla ilustrativa de los distintos fabricantes de microcontroladores y sus patentes. 5.1.2 Características principales a la hora de elegir microcontrolador Cuando queremos construir circuitos electrónicos con microcontroladores, nos encontramos con la duda de cuál será el mejor para nuestros propósitos, ante esta situación es bueno tener en cuenta varios aspectos antes de elegir el microcontrolador adecuado, ya que nos ahorraremos problemas cuando estemos concluyendo nuestros proyectos. Proyecto Fin de Carrera 43 E l valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede descender hasta 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras (varios megaohmios). Figura 5.9. Curva característica Resistencia-Luminosidad de las LDR. En el montaje que veremos en la página siguiente se observa que la hemos utilizado como resistencia superior del divisor de tensión, de manera que cuanta más luz haya, más tensión tendremos a la entrada de nuestra entrada analógica pudiendo ajustar así la tensión de referencia explicada más adelante. Como tercera parte del circuito, hemos colocado un potenciómetro configurado como divisor de tensión para hacer las funciones de regulación del rango de iluminación a partir del cual se activará nuestro circuito de iluminación. Para trabajar con la tensión de referencia deseada, se usa una función que nos proporciona Arduino muy internaste, el pin “Aref”. Cuando Arduino toma una señal analógica y la convierte a digital en 1024 trozos, lo hace por defecto pensando que la señal que va a recibir puede variar entre 0v y 5v lo que nos da aproximadamente un valor por cada 4,88 mV, pero nosotros podemos decirle que realmente va a trabajar entre 0v y 3v, obteniendo así 1024 valores distribuidos entre 0v y 3v, lo que nos da un valor por cada 2,9 mV, es decir una resolución mucho mayor. Hay que tener en cuenta que este pin lleva internamente una resistencia de 32KΩ para evitar dañar el chip, de manera que si vamos a conectar el pin mediante una resistencia fija, se va a producir un nuevo divisor de tensión, con lo que habrá que calcular la resistencia adecuada para la tensión exacta que queremos introducir mediante una sencilla fórmula: Proyecto Fin de Carrera 44 Figura 5.10. Conexión entre los componentes utilizados en la principal funcionalidad y la placa Arduino. Detalles del código [Anexo III] En este caso el pin AREF va a ser el valor que nos proporcione la LDR. int pinLDR = 15; El valor de la LDR sólo lo leeremos si anteriormente se ha detectado movimiento próximo a la puerta. En la comparación que se realiza en el código cuanto menor es el valor con el que se compara, detecta con menor luminosidad, pero la configuramos con el potenciómetro. 5.2.2 Detector de movimiento Para detectar cuando va a salir de la habitación el niño, se utiliza un sensor de movimiento. De esta manera, cuando se detecte movimiento cercano a la puerta y tenga algún dispositivo encendido, el interruptor general le avisa. A partir de este momento será elección del usuario el apagarlo o no. El modo de funcionamiento de algunos tipos de sensores es: Proyecto Fin de Carrera 45 Barrera Emisor-Recepto: El sensor viene en 2 piezas, el emisor y el receptor, cuando el objeto atraviesa el haz de luz es cuando se activa el sensor. Figura 5.11. Ejemplo de sensor infrarrojo emisor-receptor. Barrera Reflectiva: En el cuerpo del sensor se encuentra el emisor y el receptor, en el otro extremo va un elemento reflectante para devolver el haz de luz. Existen reflectantes con filtro, es decir que solo reflejan la luz que emite el sensor y discriminan cualquier otra señal luminosa. Figura 5.12. Ejemplo de sensor infrarrojo con barrera reflectiva. Debido a que una especificación del producto indicaba que debe de tener una instalación sencilla se desecharon estos tipos de sensores y se eligió un sensor de movimiento PIR (Passive InfraRed sensor) que al componerse sólo de un sensor sin necesidad de que ningún elemento le devuelva la señal su instalación es más sencilla. Descripción: El sensor PIR HC-SR501 es un dispositivo piroeléctrico (detector de calor). Lo que mide es el cambio de energía infrarroja, no la intensidad de ésta. Detecta movimiento mediante un promedio del calor irradiado en el tiempo, como respuesta a este cambio el sensor cambia su nivel lógico de salida. Proyecto Fin de Carrera 46 Figura 5.13. Sensor PIR HC-SR501. Está fabricado de un material cristalino que genera carga eléctrica cuando se expone a la radiación infrarroja. Los cambios en la cantidad de radiación producen cambios de voltaje que son medidos por un amplificador. Este sensor contiene unos filtros especiales llamados LENTES FRESNEL que enfocan las señales infrarrojas sobre el elemento sensor. Cuando las señales infrarrojas del ambiente donde está el sensor cambian, el amplificador activa las salidas, para indicar movimiento esta salida permanece activa durante unos segundos y es lo que le comunica al microcontrolador. El espectro electromagnético de la radiación infrarroja tiene una longitud de onda más larga que la luz visible, no puede ser vista pero si detectada. Figura 5.14.Espectro electromagnético. Proyecto Fin de Carrera 47 El sensor tiene un amplio rango de trabajo que se puede calibrar y ajustar mediante dos potenciómetros traseros. Para utilizarlo irá dirigido hacia la puerta y estará limitado por el campo de visión que pueda detectar desde dentro del ojo de la maqueta. Figura 5.15. Ángulos de acción del PIR. El sensor cuenta con 3 terminales, 2 para alimentación y uno de salida. Figura 5.16. Conexión entre el sensor PIR y la placa Arduino. 5.2.3 Aviso lumínico Durante la creación del concepto se consideraron diversos métodos de aviso al usuario, movimiento, sonido, luces. El aviso mediante algún tipo de movimiento enseguida se desechó debido a que quizás podría pasar desapercibido y no cumpliría con su cometido. El aviso mediante melodía o alarmas es muy interesante, pero pensándolo concienzudamente un niño puede salir y entrar muchas veces de su habitación en un día lo que podría resultar un poco molesto que cada poco rato sonara una alarma, con lo que al final se optó por el aviso de tipo luminoso. Proyecto Fin de Carrera 48 Se decidió que el aviso se indicará de modo visual porque es una manera rápida de interpretar la situación y comúnmente los niños están atentos a todo lo que les rodea y el cambio de luces es algo que les llama la atención. Desde el principio se consideró el uso de diodos LED básicos debido a su bajo consumo. Figura 5.17. Conjunto de diodos leds de distintos colores Pero como va a ser uno de nuestros métodos de aviso para las distintas funciones del producto, al tener que utilizar distintas gamas de colores, para hacerlo más dinámico y se sepa que es lo que indica en cada ocasión, se eligieron diodos LED RGB. Descripción: Existen dos tipos de led RGB, los de dos patas que llevan integrado un circuito de control y los de cuatro patas. Nosotros trabajaremos con los últimos. Estos led RGB son el equivalente a tres leds en una misma cápsula, uno rojo, otro verde y otro azul. Poseen 4 patillas, pudiendo tener 3 ánodos para los tres colores (rojo, azul y verde) y un cátodo común, o bien, 3 cátodos para cada color y un ánodo común, usaremos los segundos. Combinando los tres colores (adicción), en sus diferentes luminosidades, podemos obtener una gran gama de colores. Figura 5.18. Led RGB y esquema equivalente. Proyecto Fin de Carrera 49 Para variar la luminosidad hay que jugar con la intensidad. Si las resistencias que se utilizan para limitar la corriente son fijas, los colores serán fijos. Pero si utilizamos resistencias variables o un sistema modulador de ancho de pulsos (PWM) como en nuestro caso, podremos atenuar o intensificar los colores combinando infinidad de tonalidades del rojo, verde y azul, barriendo prácticamente con toda la gama de colores. Figura 5.19. Gama de colores primarios. Las tensiones de alimentación y el consumo correspondiente son: LED Rojo: 2,1V / 20mA. LED Verde: 3,3V / 20mA. LED Azul: 3,3V / 20mA. Figura 5.20. Conexión entre la placa y un diodo led RGB. El diseño final está compuesto por dos Leds en paralelo. Proyecto Fin de Carrera 50 Detalles del código [Anexo III] Al ser RGBs de ánodo común, en la programación el valor analógico 255 equivaldrá a apagado y el 0 a encendido, variando este valor en cada una de los pines de salida que van a los leds podemos obtener una amplia gama de colores. Como los colores que se utilizan son primarios, sólo se encenderá el color correspondiente. //Encendido de luces tono azul void LucesAzulOn() { analogWrite(redPin,255); analogWrite(greenPin,255); analogWrite(bluePin,0); delay(1000); segundos--; } 5.3 Funcionalidades secundarias Estas funcionalidades se han implementado para conseguir que el producto sea más completo, aquí se incluye la detección de otros sistemas luminosos y las funciones correspondientes al modo noche. 5.3.1 Detección de otros dispositivos luminosos Como bien se ha explicado anteriormente, se quiere conseguir que el aparato detecte otros dispositivos que producen alguna energía luminosa. Producirá un aviso luminoso pero de distinta tonalidad simplemente para diferenciarlo. El método para detectar esa energía es similar a la que utilizamos para detectar si la luz de la habitación está encendida, es decir, con una LDR. El problema que aparece ahora es el de comunicar cualquier flexo, lámpara de mesita u otras luces con nuestro producto. Debido a que suelen estar alejados de la puerta, la comunicación mediante cableado tendría una instalación compleja por lo que se introduce el concepto de comunicación inalámbrica. Proyecto Fin de Carrera 51 Comunicación inalámbrica Cuando los electrones se mueven crean ondas electromagnéticas que se pueden propagar en el espacio libre, incluso en el vacío. La cantidad de oscilaciones por segundo de una onda electromagnética es su frecuencia, f, y se mide en Hz (en honor a Heinrich Hertz). La distancia entre dos máximos o mínimos consecutivos se llama longitud de onda y se designa con la letra griega. Al conectarse una antena apropiada a un circuito eléctrico, las ondas electromagnéticas se pueden difundir de manera eficiente y captarse por un receptor a cierta distancia. Toda la comunicación inalámbrica se basa en este principio. En el vacío todas las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad, sin importar su frecuencia. Esta velocidad, usualmente llamada velocidad de la luz, c, es aproximadamente 3x108 m/seg. Figura 5.21. Espectro electromagnético y sus usos para comunicación. En la figura 5.21 se muestra el espectro electromagnético. Las porciones de radio, microondas, infrarrojo y luz visible del espectro pueden servir para transmitir información modulando la amplitud, la frecuencia o la fase de las ondas. Existen varias tecnologías que nos van a permitir el establecimiento de comunicaciones inalámbricas. Pero debido a las especificaciones de nuestro producto muchas de ellas se descartaron debido al alto precio de sus módulos, Wi-Fi, Bluetooth, etc; ya que un requisito del proyecto era que tuviera el menor coste posible. Proyecto Fin de Carrera 52 Por ello nos centramos en las dos tecnologías más baratas y asequibles: los infrarrojos y la radio frecuencia. A continuación se explican las características de cada una y sus ventajas y desventajas. Introducción a la comunicación IR En los medios de comunicación infrarroja, se emplea la emisión infrarroja proveniente de alguna fuente, por ejemplo un diodo emisor infrarrojo, la cual por medios electrónicos es modulada, de una manera tal que permita viajar y ser recibida por un elemento sensible a esta radiación y ser nuevamente convertida en una señal electrónica inteligible. Figura 5.22. Longitudes de onda. La modulación de la información se lleva acabo, haciendo oscilar alguno de los estados lógicos (señales digitales 1 o 0), con una señal cuadrada de frecuencia tal que el filtro del receptor conozca la señal que le está enviando el transmisor vía infrarroja. Figura 5.23. Modulación de una señal por amplitud. Proyecto Fin de Carrera 59 Figura 5.268. Conexión entre la placa y el zumbador piezoeléctrico. 5.3.3 Registro y procesamiento de la hora Consiste en un registro de datos que almacena la hora a la que se ha encendido el Modo Noche las diez noches inmediatamente anteriores. Con estos diez datos hace la media y nos da el resultado de a qué hora aproximada suele acostarse. Cuando llega a esta hora calculada el día presente, el dispositivo le avisa con un sonido de alarma y luz, que significa que debería irse a la cama. Los datos son guardados en la memoria EEPROM del propio ATMEGA328 ya que es no volátil y los datos los necesitamos para llevar un control. A continuación explicamos un poco más sobre las memorias de las que dispone este microcontrolador. Existen tres tipos de memoria:  Memoria Flash (espacio del programa), en ella se guarda el sketch de Arduino.  SRAM (static random acces memory), aquí se crean y manipulan las variables cuando se ejecuta el programa.  EEPROM es el espacio de memoria que los desarrolladores pueden utilizar para almacenar información a largo plazo. Las memorias Flash y EEPROM son no volátiles, esto quiere decir que la información se mantiene incluso después de apagar el microcontrolador. SRAM es volátil, significa que se pierden los valores guardados cuando apagamos el micro. Proyecto Fin de Carrera 60 El tamaño de las memorias en el ATMEGA328 son las siguientes:  Flash 32k bytes (5k se usan para el arranque).  SRAM 2k bytes.  EEPROM 1k byte. Al no llevar un reloj interno, para conocer la hora exacta utilizamos un reloj externo, más concretamente el módulo RTC que contiene el microchip DS1307 que ofrece una alta estabilidad y precisión. La conexión se realiza mediante el protocolo I2C (patillas A4 y A5 del Arduino). Este protocolo consiste en crear un protocolo de comunicación entre los dispositivos en serie. La comunicación siempre se realizara entre dos dispositivos, uno actuara de maestro, que trasmitirá la señal para sincronizar la transferencia de datos, y el otro de esclavo. Para identificar que periférico a enviado la información, cada uno de ellos tiene una dirección única, igual que una red de ordenadores donde cada ordenador tiene su propia dirección. El bus I2C consta de 3 líneas, SDA (datos), SCL (reloj) y GND (masa)  SDA: Es la línea por donde circulan los datos.  SCL: Por esta línea va la señal para sincronizar las transferencias de datos.  GND o masa: Se utiliza como referencia de voltaje para el cálculo de las otras líneas. Figura 5.29. Conexión entre el módulo RTC y la placa. Detalles del código [Anexo III] Para el manejo de comunicaciones I2C en Arduino debemos importar la librería “Wire.h” a nuestro programa. Para configurar la hora del reloj se utiliza un programa que la obtiene desde un ordenador. Proyecto Fin de Carrera 61 Una vez que el reloj está puesto en hora ya podemos obtener su valor con la función DateTime now = RTC.now(); Los valores de las horas se guardan en las posiciones desde la 20 a la 29 en la memoria EEPROM. Una vez están guardadas, se procede a leer cada posición para obtener el resultado total y realizar operación necesaria. Con los minutos se realiza la misma operación con la diferencia de que los datos los guardamos desde la posición 0 a la 9. La alarma se activa primero detectando si la hora calculada coincide con la actual y a continuación si coinciden los minutos. 5.4 Prototipo final sobre placa blanca El desarrollo de todas las funciones anteriores y las pruebas realizadas dan como resultado la construcción de un prototipo funcional en placa blanca. Figura 5.30. Imagen en perspectiva planta del prototipo sobre Proto-board. Figura 5.31. Imagen frontal del prototipo. Proyecto Fin de Carrera 62 Capítulo 6. Conclusiones y líneas futuras En este último capítulo de la memoria se recoge el resumen de las principales aportaciones de este Proyecto Fin de Carrera y las principales conclusiones extraídas del trabajo realizado en el mismo. Además, se proponen varias líneas de trabajo futuras para profundizar en varios aspectos interesantes detectados en la realización de este proyecto. 6.1 Conclusiones Este proyecto podríamos dividirlo en 2 fases, la primera corresponde con las asignaturas “Metodología de diseño” y “Laboratorio de diseño electrónico”, impartidas en el Grado de Diseño Industrial y con una duración de 4 meses. Y la segunda, que continuó desarrollándose incluso pasados esos primeros 4 meses, como “Proyecto Fin de Carrera” para la especialidad de Electrónica Industrial. Se ha realizado un estudio de mercado, con su correspondiente aprendizaje sobre las tecnologías aplicadas en los productos encontrados. Se generaron una serie de conceptos que tras su análisis teniendo en cuenta su viabilidad, funcionalidades e innovación, se decidió el desarrollo completo de uno de ellos y se llegó a su completo desarrollo de diseño y prototipo en placa blanca. Por lo tanto podemos decir que los objetivos se han cumplido. Personalmente, este proyecto me ha mostrado el valor añadido que tiene el trabajo en grupo y entender por qué unas propuestas pueden ser aceptadas y otras rechazadas, gracias a los distintos puntos de vista de los compañeros. La metodología de trabajo nos ha acercado un poco más a la forma de trabajo que se sigue en el mundo laboral. Una de las principales satisfacciones ha sido introducirme en el mundo de la programación en Lenguaje C y en específico con el entorno de Arduino. No ha sido fácil, el método que seguí fue ir creando programas independientes para cada una de las funcionalidades, y los problemas llegaron cuando empecé a unir el código. Pero conforme ves que vas avanzando y los resultados obtenidos te sientes orgulloso. He tenido que aprender o recordar el manejo de distintas herramientas software sobre diseño en 3D y diseño hardware. Y por último también he tenido que aprender nociones básicas sobre comunicación inalámbrica, los distintos protocolos, la forma de enviar los datos, etc, creía que sería más fácil de lo que al final resultó. Proyecto Fin de Carrera 63 Sobre el montaje, he tenido que realizar varias pruebas experimentales hasta conseguir que todo quede correctamente conectado, con algunos problemas de rebotes principalmente. En resumen el desarrollo de este proyecto lo describiría como una experiencia positiva y enriquecedora debido a todo lo aprendido y al método con el que se ha desarrollado. 6.2 Líneas de futuro Como continuación al desarrollo se está intentando el montaje del prototipo en placa PCB. Otra línea sería la creación de los emisores IR, con la capacidad de que dependiendo del dato que reciba el receptor de la placa, identifique cual es el dispositivo que se ha quedado encendido en la habitación. También diseñar una manera no invasiva para detectar aparatos eléctricos o electrónicos encendidos que no produzcan ninguna fuente de luz. Proyecto Fin de Carrera 64 Anexos Anexo I. Brief El! proyecto! implica! la! realización! de! un! análisis! en! profundidad! de! la! tecnología,! las! posibles!tipologías!de!producto,!los!tipos!de!entorno,!situaciones!de!uso!y!usuarios,!así!como! de!las!posibles!funciones!a!desarrollar!por!el!producto!y!su!utilidad!para!el!usuario,!tratando!de! conseguir! conclusiones! que! produzcan! CONCEPTOS! CREATIVOS,! ALTERNATIVOS! E! INNOVADORES,!MÁXIME!CONSIDERANDO!QUE!EL!SECTOR!AL!QUE!SE!DESTINA!EL!PRODUCTO! ES!EMERGENTE!Y!SOMETIDO!A!UNA!RÁPIDA!EVOLUCIÓN.! ! Es!necesario!para!el!buen!desarrollo!del!proyecto!realizar!profundos!análisis!del!usuario,! los! posibles! entornos! de! uso,! verificaciones! dimensionales! de! los! objetos,! y! definir! adecuadamente!los!modos!de!relación!producto!/!usuario,!derivados!del!diseño!del!interfaz!y! la!estructura!del!árbol!de!funciones!organizadas!en!el!posible!menú!o!menús!del!producto!(alto! orden!/!alta!complejidad).! ! En! el! desarrollo! del! producto! trabajarán! conjuntamente! equipos! de! diseñadores! y! electrónicos,! que! tendrán! que! colaborar! en! todas! las! fases.! Los! electrónicos! tendrán! que! realizar! un! estudio!profundo! de! las! tecnologías! electrónicas! disponibles! y! sus! potenciales! funcionalidades,!aportando!al!equipo!un!panorama!de!posibilidades!que!encauce!la!evolución! de!los!conceptos!de!producto!que!se!vayan!desarrollando.!Posteriormente,!el!avance!en!los! conceptos!de!diseño!y!el!desarrollo!de!las!soluciones!electrónicas!deberá!estar!perfectamente! acompasados!para!que!el!trabajo!dé!como!resultado!un!producto!viable.! ( ( 2. Objetivos(del(proyecto:( ( (Algunos!objetivos!son!específicos!de!diseñadores!o!electrónicos)! ! 1) Realizar!la!planificación!del!proyecto;!reflexionar!y!aplicar!un!plan!claro!y!estructurado,! en!el!que!se!detallen!las!fases!a!realizar,!documentos!que!se!incluyen!en!cada!fase!y!un! calendario!a!seguir!para!conseguir!el!resto!de!los!objetivos.! ! 2) Realizar!una!descripción!y!definición!de!producto!previa!a!la!realización!de!las!fases! conceptuales,!antes!de!comenzar!con!los!bocetos.!Se!trata!de!un!documento!en!el!que! se!analiza!alguna!o!varias!de!las!tipologías!de!producto,!sus!funciones,!sus!componentes! y!ensamblajes,!cómo!son!los!accionamientos!durante!su!uso,!etc.! ! 3) Definir! la! función! principal! (y! secundarias! en! caso! de! haberlas).! Dicha! función,! que! tiene! condicionantes! particulares! a! cada! uno! de! los! productos,! será! definida! por! los! propios!estudiantes!en!el!planteamiento!de!proyecto,!la!descripción!detallada!de!esta! función!incluirá!el!entorno!de!utilización.! ! 4) Ubicar!y!definir!el!producto!en!un!entorno!o!situación!de!uso!y!relacionarlo!con!un!tipo! de!usuario.!Buscar!rasgos!que!definan!y!personalicen!el!producto!de!forma!que!exista!un! segmento!de!mercado!en!el!cual!se!pueda!comercializar!de!forma!adecuada.! ! 5) Analizar! la! viabilidad! de! producción! y! montaje! de! acuerdo! con! las! especificaciones! técnicas.! ! 6) Desarrollar! habilidades! y! actitudes! profesionales! a! través! del!trabajo! colaborativo! entre!equipos!multidisciplinares! ! 7) Realizar!las!investigaciones!necesarias!sobre!las!tecnología!electrónicas!aplicables!en!el! producto.! ! 8) Aprender!el!uso!de!herramientas!informáticas!de!desarrollo!electrónico!y!habilidades! de! montaje,! que! serán! necesarias! para!realizar! el! diseño,! simulación,! montaje,! verificación,!puesta!a!punto!del!prototipo!electrónico!que!se!integrará!en!el!producto! final.! ! ! 3. Ámbito(del(proyecto:( ( Se! busca! reducir( el( consumo( energético( en( diversos( escenarios.( Se! considera! energía! tanto! el! consumo! eléctrico! (iluminación,! electrodomésticos,! dispositivos! electrónicos,! etc.),! consumo!de!combustibles!tipo!gas/gasoil!(climatización,!cocina)!y!consumo!de!agua.! Existen! diversas! estrategias:! mejorar! la! eficiencia! de! las! cargas! que! consumen! energía,! gestionar! automáticamente! el! uso! de! dichas! cargas! (domótica)! o! la! concienciación! del! consumidor.!En!principio!se!persigue!esta!última!estrategia!en!la!que!mediante!los!datos!(d)!e! información!(i)!se!crea!un!conocimiento!(k)!en!las!personas!que!provoca!un!entendimiento!(u)! del!efecto!que!la!gestión!energética!tiene!a!diferentes!niveles:!económico,!medioambiental,! etc.!Este!entendimiento!es!el!que!posibilita!la!generación!de!una!sabiduría!(w)!con!un!impacto! hacia!futuro.! ! Escenarios:( 1. Uso&de&la&electricidad&(equipamiento&en&laboratorios,&PCs,&iluminación,&climatización)& en&un&gran&edificio&público&como&la&universidad.&& Aspectos!claves:!diversidad!de!usuarios!(profesores,!estudiantes)!que!no!paga!por!la! energía!usada,!escenarios!(laboratorios,!aulas,!despachos),!cambios!de!infraestructura! complicados!por!motivos!económicos! 2. Uso&de&agua&en&gran&edificio&público&como&la&universidad&& Aspectos!claves:!diversidad!de!usuarios!que!no!paga!por!el!agua,!cambios!de! infraestructura!complicados!por!motivos!económicos!! 3. Uso&del&agua&y&electricidad&(equipamiento,&iluminación,&climatización)&en&habitaciones& de&hoteles.&& Aspectos!claves:!clientes!que!dentro!del!precio!de!la!habitación!pagan!por!la!energía! independientemente!de!lo!que!gasten,!escenarios!(montaña,!playa,!etc.)!! 4. Uso&del&agua&en&domicilios&particulares& Aspectos!claves:!diversidad!de!usuarios!que!usan!el!agua!de!un!modo!u!otro!según! edad,!ocupación,!tiempo!de!estancia!en!casa,!actividades,!etc.!y!que!pagan!por!el!agua! usada!! Sistemas IR cuasi-difusos. En el modo casi-difuso, el tipo de emisión es radial; esto es, la emisión se produce en todas direcciones, al contrario que en el modo punto a punto. Para conseguir esto, lo que se hace es transmitir hacia distintas superficies reflectantes, las cuales redirigirán el haz de luz hacia la estación receptora. De esta forma, se rompe la limitación impuesta en el modo punto a punto de la direccionalidad del enlace. En función de cómo sea esta superficie reflectante, podemos distinguir dos tipos de reflexión: pasiva y activa. En la reflexión pasiva, la superficie reflectante simplemente refleja la señal, debido a las cualidades reflexivas del material. En la reflexión activa, por el contrario, el medio reflectante no sólo refleja la señal, sino que además la amplifica. En este caso, el medio reflectante se conoce como satélite. Figura II.III. Comunicación infrarroja en modo cuasi difuso. Sistemas IR difusos. Entre todos los tipos de sistemas IR, los sistemas IR difusos son los más fáciles de utilizar y también los más robustos, no se requiere apuntar tanto al transmisor como al receptor, ni se requiere que haya línea de vista entre estos. Sin embargo, los sistemas IR difusos tienen más altas perdidas de propagación que los sistemas de línea de vista, requiriendo altas potencias de transmisión y un receptor que tenga una gran área de colección de luz. Transmisores difusos típicos emplean varios Leds, los cuales son orientados en diferentes direcciones, para proveer una diversidad de trayectorias de propagación. Cuando transmiten, típicamente emiten una potencia óptica promedio en el intervalo de 100 a 500 mW, esto causa un consumo de potencia eléctrica más alto que el de un transmisor típico punto a punto. En algunos casos se usan varios detectores, cada uno orientado en diferentes direcciones. Un sistema IR difuso puede ser realizado de dos maneras, como se ilustra en la siguiente. Figura II.IV. Técnicas empleadas en los enlaces infrarrojos difusos. Seguridad Ocular. Los sistemas infrarrojos pueden resultar dañinos para la salud si se diseñan y/u operan incorrectamente. Cuando se utiliza una fuente óptica laser, la luz de esta puede penetrar en los ojos de alguna persona y por estar concentrada en un pequeñísimo punto puede causar daño a la retina si es que sobrepasa cierta potencia, por lo cual se ha establecido un estándar de seguridad para transmisores que utilicen una fuente óptica laser y son clasificados de acuerdo con la potencia óptica total emitida. La clasificación principal se presenta en la tabla I. Los niveles de potencia contenidos en la clase 1 son los únicos que se consideran como seguros para los ojos. Tabla 6: Clasificación de láseres de acuerdo con la potencia emitida, se considera que la fuente es puntual. La clase 1 es considerada como segura para los ojos. 650 nm 880 nm 1310 nm 1550 nm Clase 1 Hasta 0.2 mW Hasta 0.5 mW Hasta 8.8 mW Hasta10 mW Clase 2 0.2-1mW Clase 3A 1-5mW 0.5-2.5 mW 8.8-45 mW 10-50 mW Clase 3B 5-500 mW 2.5-500 mW 45-500 mW 50-500 mW Sin embargo, si utilizamos leds en lugar de diodos laser podemos emitir una gran potencia y aun así permanecer en la clase 1 de seguridad. Esto se debe a que los Leds son dispositivos con un gran ancho de haz y por lo tanto la imagen formada en la retina es grande, entonces la potencia óptica por unidad de área en la retina disminuye, y entonces no hay riesgo de quemadura. Fuentes ópticas. En repetidas ocasiones se ha mencionado que las fuentes ópticas más utilizadas en los sistemas infrarrojos son: el Diodo Emisor de Luz (LED) y el Diodo Laser (LD). Entre las principales diferencias que guardan dichos dispositivos están: su longitud de onda, potencia óptica emitida, velocidad de modulación, tiempo de vida, ancho espectral, eficiencia, sensibilidad a la temperatura y, por supuesto, su coste. La elección de una fuente óptica específica está en función de la aplicación que ha de tener el sistema infrarrojo en cuestión. Diodos Emisores de Luz. Los Leds son diodos semiconductores que operan en polarización directa y emiten luz cuando los huecos y los electrones se recombinan en la zona activa. Tabla 7: Materiales semiconductores utilizados en Leds y su relación con la longitud de onda emitida y la energía de la banda prohibida. Material Rango de longitudes Energía de la banda GaInP 0.64-0.68 1.82-1.94 GaAs 0.70-0.84 0.9-1.4 AlGaAs 0.8-0.9 1.4-1.55 InGaAs 1.0-1.3 0.95-1.24 InGaAsp 0.9-1.7 0.73-1.35 La longitud de onda de la luz emitida durante el proceso de recombinación de huecos y electrones depende de la energía del ancho de la banda prohibida Wg, como lo muestra la siguiente ecuación: λ= h.c / Wg ò λ =1,24/Wg Con el factor 1,24 la longitud de onda estará dada en micras cuando la energía de la banda prohibida este dada en ev. En la tabla 7 se da una lista de materiales semiconductores utilizados para fabricar Leds y su relación con la energía de la banda prohibida y la longitud de onda de la luz emitida. Típicamente estos Leds tienen un ancho de línea de 20 a 100m. El ancho de banda de modulación de un LED está relacionado con el tiempo de vida de los portadores de carga en el semiconductor, el cual puede ser definido como el tiempo promedio de recombinación de los portadores. La velocidad de modulación eléctrica debe ser menor que este tiempo. El ancho de banda (3dB) se puede calcular con la siguiente relación: ƒ3db = 1/2πΤ Las velocidades de modulación que los Leds pueden alcanzar van desde unas cuantas decenas de KHz hasta más de 100 MHz. La potencia óptica emitida se ve disminuida a medida que aumentamos la velocidad de modulación, y también cuando aumenta la temperatura del dispositivo. En el mercado están disponibles dos tipos de Leds, los de emisión de superficie y los de emisión de arista. Los primeros emiten luz con un patrón lambertiano con ancho de haz de 120 grados, en el segundo caso, el ancho de haz en el plano paralelo es también de 120 grados y en el plano perpendicular es de 30 grados. Debido a esto, la luz emitida por un LED, no implica riesgo alguno para los ojos. Diodos Laser. Los Diodos Laser tienen funciones similares a los de los Leds, pero con algunas diferencias en cuanto a su funcionamiento y a sus características. El LD tiene construida internamente una cavidad resonante tal, que cuando se excede la corriente de umbral (después de la emisión espontanea) se tiene una emisión estimulada, con gran amplificación de luz, que se genera con alta coherencia, por lo que se tienen anchos de línea pequeños entre 1 y 5 nm y anchos de haz muy angostos. Al igual que en el caso de los Leds, existen LDs con emisión de superficie y de arista. Los LDs con emisión de arista producen altos niveles de potencia, hasta de 100 mW a una velocidad de modulación de 1 GHz y están disponibles comercialmente en el rango de 850 nm de longitud de onda. Su ancho de haz típico es de 20x35 grados. Los LDs de emisión de superficie producen mucho menos potencia óptica de salida, pero tienen un patrón de emisión casi simétrico con un ángulo de divergencia típico de 12 grados. Resumiendo un poco, el LD con respecto al LED es mucho más rápido, su potencia de salida es mayor y su haz es coherente, pero, su construcción es más compleja, su potencia óptica de salida depende fuertemente de la temperatura, es bastante susceptible a transitorios, es más costoso y requiere de un circuito de excitación con compensación de temperatura, con compensación contra envejecimiento y de protección contra transitorios. Anexo III. Código de programación completo //**************************************************************************// //Proyecto: Bee-Light // //Autor: Santiago Villarroya Garcés // //Titulación: Ingeniería Técnica Industrial, Especialidad Electrónica // //Fecha: Mayo de 2014 // //**************************************************************************// //**************************************************************************// //Declaración de variables // //**************************************************************************// #include <EEPROM.h> #include "notas.h" #include <Wire.h> #include "RTClib.h" // Crea el objeto RTC RTC_DS1307 RTC; int minutosnoche = 15; int segundos = 0; int redPin = 11; int greenPin = 10; int bluePin = 9; int Pul = 2; //variable que controla el número de veces pulsado int cont1 = 0; int DirMemoGuardoM = 0; int DirMemoLeoM = 0; //Inicio de la posición de la memoria para el valor de las horas int DirMemoGuardoH = 20; int DirMemoLeoH = 20; int minutos = 0; int MediaMin = 0; int MediaHora = 0; int hora = 0; //Declaración de las notas int melody[] = {NOTE_C4, NOTE_G3,NOTE_G3, NOTE_A3, NOTE_G3,0, NOTE_B3, NOTE_C4}; //Duración de las notas int noteDurations[] = {4, 8, 8, 4, 4, 4, 4, 4}; //Contador auxiliar int cont3 = 0; int ledPin1 = 13; int inputPin = 3; int pirState = LOW; int valorLDR = 0; //Referencia externa int pinLDR = 15; int val = 0; byte value; byte valuehora; int resultadohora = 0; int resultado = 0; boolean aux = false; //variables recepcion ir int ir_pin = 4; int nb = 40; //**************************************************************************// //Inicialización de variables // //**************************************************************************// void setup() { pinMode(redPin,OUTPUT); pinMode(greenPin,OUTPUT); pinMode(bluePin,OUTPUT); pinMode(Pul,INPUT); //Establecemos el tiempo programado del modo noche segundos = (minutosnoche*60); // Establece la velocidad de datos del puerto serie Serial.begin(9600); // Establece la velocidad de datos del bus I2C Wire.begin(); // Establece la velocidad de datos del RTC RTC.begin(); pinMode(Pul,INPUT); //Habilitamos la interrupción attachInterrupt(0, Fun_Contar, CHANGE); pinMode(ledPin1, OUTPUT); pinMode(inputPin, INPUT); analogReference(EXTERNAL); pinMode(ir_pin, INPUT); } //**************************************************************************// //Programa principal // //**************************************************************************// void loop () { //Leemos el valor que tenemos en el sensor PIR val = digitalRead(inputPin); if (val == HIGH) { // PersonaDetectada(); } else { PersonaNoDetectada(); } //Implementación software antirebotes if(cont3 != 0) { delay(500); cont1++; if(cont1 > 2) { cont1 = 0; } } cont3=0; // Obtener la hora del RTC y compararla con la media calculada DateTime now = RTC.now(); if(now.hour() == MediaHora) { FuncionAlarma(); } // Diferenciamos en que caso estamos una vez que se entra en el modo noche switch (cont1) { case 0: // Todo apagado { LucesOff(); } break; case 1: //Corresponde a la situación 1, solo se activan las luces { LucesAzulOn(); aux = true; //Obtener los datos sólo una vez cuando se entra en MODO NOCHE if(segundos == 899) { ObtenerHora(); ObtenerMinutos(); CalcMediaMinutos(); CalcMediaHoras(); } if(segundos == 0) //Volvemos a inicializar las variables { cont1 = 0; segundos = (minutosnoche*60); } break; } case 2: //Corresponde a la situación 2, se activan las luces y la melodía { LucesAzulOn(); if(segundos <= 0) { cont1 = 0; segundos = (minutosnoche*60); } FuncionMelodia(); break; } default: { cont1= 0; break; } } //Habilitamos las interrupciones interrupts(); } //**************************************************************************// //**************************************************************************// //Funcion que controla cada vez que pasa a estado alto el pulsador // //**************************************************************************// //Deshabilitamos las interrupciones para que no entre a la función si se producen rebotes void Fun_Contar() { noInterrupts(); cont3 = 1; } //**************************************************************************// //**************************************************************************// //Funcion correspondiente a obtener y guardar la hora // //**************************************************************************// int ObtenerHora() { // Obtiene la fecha y hora del RTC DateTime now = RTC.now(); //Guardamos el dato en la memoria //Las horas se guardan en las posiciones 20 a 29 de la EEPROM hora = now.hour(); EEPROM.write(DirMemoGuardoH, hora); if(DirMemoGuardoH < 30) { hora = now.hour(); EEPROM.write(DirMemoGuardoH, hora); DirMemoGuardoH++; } else { DirMemoGuardoH = 20; } return DirMemoGuardoH; } //**************************************************************************// //**************************************************************************// //Funcion correspondiente a obtener y guardar la hora // //**************************************************************************// int ObtenerMinutos() { for(int i = 0; i <= 5; i++) { LucesVerdesOn(); LucesOff(); } } } Anexo IV. Planos En este punto se muestran los distintos planos creados para la conexión y el funcionamiento del producto. Conexión a la Red La placa se alimenta directamente desde la red. El interruptor general se acoplará encima de la PCB. Su acción se ejecuta presionando la barriga del producto. Alimentación La alimentación de la placa se realiza mediante una pequeña fuente conmutada [Anexo VI] y sus correspondientes componentes de protección, fusible, varistor y condensador. Plano del esquemático Interconexionado de componentes a la PCB Plano espacial Plano PCB 3D Plano PCB Anexo V. Dossier de los diseñadores reducido 2011-6-3 2 3, the temperature compensation (optional, factory is not set): In the summer when the ambient temperature rises to 30 ~ 32 ℃, slightly shorter detection range, temperature compensation can be used as a performance compensation. 4, two trigger mode: (can be selected by jumpers) a. can not repeat the trigger: the sensor output high, the delay time is over, the output will automatically become low from high; b. repeatable trigger: the sensor output high after the delay period, if the human body in its sensing range Activities, its output will remain high until after the delay will be left high to low (sensor module review Measured activities of each body will be automatically extended after a delay time, and the final event of the delay time Starting point of time). 5, with induction blocking time (the default setting: 2.5S block time): sensor module, after each sensor output (high change Into a low level), you can set up a blockade followed by time period, in this time period the sensor does not accept any sensor signal. This feature can have a "sensor output time" and "blocking time" the interval between the work produced can be applied to detect the interval Products; also inhibit this function during load switching for a variety of interference. (This time can be set at zero seconds - Tens of seconds). 6, the working voltage range: the default voltage DC4.5V-20V. 7, micro-power consumption: static current "50 microamps, especially for battery-powered automatic control products. 8, the output high level signals: types of circuits can be easily and docking. 2011-6-3 3 3 Instructions: 1. Sensing module for about a minute after power initialization time, during the interval to the output module 0-3 times a minute in standby mode. 2. Should avoid direct lighting such as interference sources close the surface of the lens module so as to avoid the introduction of interference signal generator malfunction; use of the environment to avoid the flow of the wind, the wind sensor will also cause interference. 3. Sensor module using a dual probe, the probe's window is rectangular, dual (A per B million) in the direction of the ends of long, when the body passed from left to right or right to left when the reach the dual IR time, distance difference, the greater the difference, more sensitive sensors, when the body from the front to the probe or from top to bottom or from bottom to top direction passing, dual IR not detected changes in the distance, no difference value, the sensor insensitive or does not work; so the sensors should be installed dual direction of the probe with human activities as much as possible parallel to the direction of maximum to ensure that the body has been passed by the dual sensor probe. To increase the sensing range of angles, the module using a circular lens, the probe also makes sense on all four sides, but still higher than the upper and lower left and right direction of sensing range, sensitivity and strong, still as far as possible by the above installation requirements.VCC, trig (control side), echo (receiving end), GND 2011-6-3 4 Induction Range: Dimensions and Adjustment: Note NoteNote Note: The potentiometer clockwise to adjust the distance, sensing range increases (about 7 meters), on the contrary, sensing range decreases (about 3 meters). Delay adjustment potentiometer clockwise rotation, sensor delay longer (about 300S), the other hand, induction by the short delay (about 5S). 2011-6-3 5 Applications: 1, Security Products 2, the human body sensors toys 3, the human body sensor lighting 4, industrial automation and control, etc. It can automatically and quickly open various types of incandescent, fluorescent lamps, buzzer, automatic doors, electric fans, automatic washing machine and dryer Machines and other devices, is a high-tech products. Especially suitable for enterprises, hotels, shopping malls, warehouses and family aisles, corridors and other sensitive. DS 1307 DS1307 9 of 12 ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS* Voltage on Any Pin Relative to Ground -0.5V to +7.0V Storage Temperature -55°C to +125°C Soldering Temperature 260°C for 10 seconds DIP See JPC/JEDEC Standard J-STD-020A for Surface Mount Devices * This is a stress rating only and functional operation of the device at these or any other conditions above those indicated in the operation sections of this specification is not implied. Exposure to absolute maximum rating conditions for extended periods of time may affect reliability. Range Temperature VCC Commercial 0°C to +70°C 4.5V to 5.5V VCC1 Industrial -40°C to +85°C 4.5V to 5.5V VCC1 RECOMMENDED DC OPERATING CONDITIONS (Over the operating range*) PARAMETER SYMBOL MIN TYP MAX UNITS NOTES Supply Voltage VCC 4.5 5.0 5.5 V Logic 1 VIH 2.2 VCC + 0.3 V Logic 0 VIL -0.5 +0.8 V VBAT Battery Voltage VBAT 2.0 3.5 V *Unless otherwise specified. DC ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Over the operating range*) PARAMETER SYMBOL MIN TYP MAX UNITS NOTES Input Leakage (SCL) ILI 1mA I/O Leakage (SDA & SQW/OUT) ILO 1mA Logic 0 Output (IOL = 5mA) VOL 0.4 V Active Supply Current ICCA 1.5 mA 7 Standby Current ICCS 200 mA1 Battery Current (OSC ON); SQW/OUT OFF IBAT1 300 500 nA 2 Battery Current (OSC ON); SQW/OUT ON (32kHz) IBAT2 480 800 nA Power-Fail Voltage VPF 1.216 x VBAT 1.25 x VBAT 1.284 x VBAT V8 *Unless otherwise specified. DS1307 11 of 12 TIMING DIAGRAM Figure 8 DS1307 64 X 8 SERIAL REAL-TIME CLOCK 8-PIN DIP MECHANICAL DIMENSIONS PKG 8-PIN DIM MIN MAX A IN. MM 0.360 9.14 0.400 10.16 B IN. MM 0.240 6.10 0.260 6.60 C IN. MM 0.120 3.05 0.140 3.56 D IN. MM 0.300 7.62 0.325 8.26 E IN. MM 0.015 0.38 0.040 1.02 F IN. MM 0.120 3.04 0.140 3.56 G IN. MM 0.090 2.29 0.110 2.79 H IN. MM 0.320 8.13 0.370 9.40 J IN. MM 0.008 0.20 0.012 0.30 K IN. MM 0.015 0.38 0.021 0.53 DS1307 12 of 12 DS1307Z 64 X 8 SERIAL REAL-TIME CLOCK 8-PIN SOIC (150-MIL) MECHANICAL DIMENSIONS PKG 8-PIN (150 MIL) DIM MIN MAX A IN. MM 0.188 4.78 0.196 4.98 B IN. MM 0.150 3.81 0.158 4.01 C IN. MM 0.048 1.22 0.062 1.57 E IN. MM 0.004 0.10 0.010 0.25 F IN. MM 0.053 1.35 0.069 1.75 G IN. MM 0.050 BSC 1.27 BSC H IN. MM 0.230 5.84 0.244 6.20 J IN. MM 0.007 0.18 0.011 0.28 K IN. MM 0.012 0.30 0.020 0.51 L IN. MM 0.016 0.41 0.050 1.27 phi 0°8° 56-G2008-001 TSOP 2236 www.vishay.com 2 Document Number 82095 Rev. 7, 05-Aug-03 VISHAY TSOP22.. Vishay Semiconductors Absolute Maximum Ratings Tamb = 25 °C, unless otherwise specified Electrical and Optical Characteristics Tamb = 25 °C, unless otherwise specified Parameter Test condition Symbol Value Unit Supply Voltage (Pin 2) VS0.3 to + 6.0 V Supply Current (Pin 2) IS5mA Output Voltage (Pin 1) VO0.3 to + 6.0 V Output Current (Pin 1) IO5mA Junction Temperature Tj100 °C Storage Temperature Range Tstg - 25 to + 85 °C Operating Temperature Range Tamb - 25 to + 85 °C Power Consumption (Tamb ≤ 85 °C) Ptot 50 mW Soldering Temperature t ≤ 10 s, 1 mm from case Tsd 260 °C Parameter Test condition Symbol Min Ty p. Max Unit Supply Current (Pin 2) VS = 5 V, Ev = 0 ISD 0.8 1.2 1.5 mA VS = 5 V, Ev = 40 klx, sunlight ISH 1.5 mA Supply Voltage (Pin 2) VS4.5 5.5 V Transmission Distance Ev = 0, test signal see fig.1, IR diode TSAL6200, IF = 250 mA d35 m Output Voltage Low (Pin 1) IOL = 0.5 mA, Ee = 0.7 mW/m2, f = fo, test signal see fig. 1 VOL 250 mV Irradiance (30 - 40 kHz) Pulse width tolerance: tpi - 5/fo < tpo < tpi + 6/fo, test signal see fig.1 Ee min 0.2 0.4 mW/m2 Irradiance (56 kHz) Pulse width tolerance: tpi -5/fo < tpo < tpi +6/fo, test signal see fig.1 Ee min 0.3 0.5 mW/m2 Irradiance tpi - 5/fo < tpo < tpi + 6/fo, test signal see fig. 1 Ee max 30 W/m2 Directivity Angle of half transmission distance ϕ1/2 ± 45 deg