¿POR QUÉ UNA CASA AUTOMÁTICA?

La Domótica es la aplicación a la vivienda de los sistemas automáticos y de gestión.

El Departamento de Tecnología del IES GRAN VIA ha desarrollado este proyecto para aplicarlo a nuestros alumnos de 3º y 4º de ESO como un proyecto que podría abarcar todo el curso escolar, ya que comprende una serie de destrezas y conocimientos muy dispares entre los que se encuentran los siguientes:

- Electricidad: por el uso de circuitos eléctricos

- Electrónica analógica: por el uso y control de señales analógicas

- Electrónica digital: conocimiento del sistema binario y la manipulación de la información

- Programación: programación de microcontroladores

- Sensores y transductores: transformación de magnitudes físicas en eléctricas

- Actuadores: control de motores, bombillas, etc.

- Mecanismos: aplicación del sistema programable a sistemas físicos y mecánicos

- Diseño y ejecución de proyectos técnicos

- Otros: habilidades manuales, trabajo en equipo, etc.

PASO 1. DEFINIR LAS NECESIDADES

El primer paso de cualquier proyecto es definir las necesidades. Después ver el tipo de elementos a controlar, el tipo de actuadores y de elementos de control. En nuestro proyecto definimos seis sistemas a controlar, que se relacionan a continuación:

PASO 2. LA CASA FÍSICA. DISEÑO DE LA MAQUETA

Una vez definidas las necesidades, tenemos que construir la maqueta sobre la que desarrollar nuestro proyecto. 

Los alumnos realizan el diseño en función de los sistemas a montar (puertas, ventanas, leds, etc.)

Y realizan los planos en Autocad:

PASO 3. CONSTRUCCIÓN DE LA MAQUETA

A continuación se construyen las maquetas según los planos, utilizando contrachapado de 1 cm e instalando los distintos actuadores.

Colocamos una fuente de alimentación de ordenador reciclada para alimentar todo el sistema y ya tenemos la estructura con los componentes en su sitio.

Luego realizamos el cableado

PASO 4. INSTALACIÓN DE LA PLACA CONTROLADORA Y PREPARACIÓN DE LOS CABLES EXTERNOS

 Una vez terminada la maqueta hay que preparar los sistemas externos de control, entre los que se encuentran la placa controladora Picaxe y el panel de sensores. Se siguen los siguientes pasos:

2º) Colocación de la placa controladora Picaxe

 -   Fijar la placa controladora mediante tornillos.

 -   Realizar unos taladros para pasar los cables

3º) Manguera de Cables para Conexiones Externas

 La forma de conectar los actuadores (motores, leds, altavoz… ) con la placa controladora es por medio de una manguera de cables.

Primero se coloca la manguera en ambos extremos mediante bridas, dejando libres los cables unos 10 o 12 cm.

Después se conectan los cables de alimentación desde la Fuente hasta la placa controladora. Para ello utilizar al menos dos cables juntos para el positivo y otros dos para el negativo.

Y finalmente se conectan el resto de los cables salida de la placa controladora hasta las conexiones de los actuadores.

PASO 5. CONSTRUCCIÓN DE LOS MÓDULOS DE SENSORES

Para probar el funcionamiento de cada sistema y poder programarlo mediante la placa de Picaxe, vamos a construir cada módulo de sensor por separado, de forma que se puedan programar y probar independientemente.

Pasos para la construcción de los módulos de sensores

1)    Medir y cortar una tabla de DM de 4 mm, de 5 x 10 cm

2)    Medir y cortar dos listones pequeños, de 5 cm

3)    Pegar y clavar los listones a la base

4)    Pegar el papel con los datos del sensor

5)    Taladrar la base según la posición de los componentes

6)    Colocar los componentes

7)    Soldar los componentes según el esquema de conexiones

Soldar los cables exteriores y sacarlos a través de pequeños taladros 

PASO 6. CONEXIÓN DE LOS MÓDULOS DE SENSORES Y PROGRAMACIÓN

Una vez terminada toda la parte física, compuesta por la estructura de la casa, el hardware, los sensores y los distintos sistemas a controlar, conectamos uno a uno los distintos sensores y realizamos los programas. A continuación se muestran brevemente los esquemas de los distintos sensores y los programas “basic” que manipulan las señales y activan los actuadores.

S.1. módulo de sensor 1: pulsador para el control de la puerta de garaje

Para que el motor gire en un sentido se conectan los transistores T1 y T4. Para que gire en sentido contrario se conectan los transistores T2 yT3

Pero, además, nosotros utilizamos las salidas de la tarjeta Picaxe por medio de un amplificador de colector abierto, el 2803A, por lo que es necesario añadir dos resistencias en las salidas B.0 y B.1 para obtener tensiones positivas (+5V), con lo que el esquema de conexiones quedaría como sigue:

S.2. módulo de sensor 2: NTC para el control del ventilador

La NTC es una resistencia que cambia su valor dependiendo de la temperatura. A mayor temperatura menor resistencia y viceversa. Poniendo la NTC en un divisor de tensión obtenernos una tensión proporcional a la temperatura, que se puede leer mediante las entradas analógicas del controlador. El esquema es el siguiente:

El led se conecta a la misma salida que acciona el ventilador (B.2) para ver que está funcionando.

PROGRAMA S2

 Sensor2:

readadc A.1, b8 ; lee la lectura del sensor y la guarda en b8       

debug

if b8 > 105 then high b.2; ajustar el valor según la posición del potenciómetro

else low b.2

endif

goto Sensor2

S.3. módulo de sensor 3: LDR para el control de la ventana y del led exterior

Motor Paso a Paso Bipolar (Stepper)

El estator consta de dos bobinas con los extremos accesibles. Para que gire el rotor hay que conectar dichas bobinas en una determinada secuencia.

Para conectar las bobinas, necesitamos un circuito integrado llamado “puente H”. Nosotros utilizaremos el L293D integrado en la placa controladora. El conjunto de motor y puente H quedaría de la siguiente manera:

Como ves, cada bobina del motor está controlada por un pin del picaxe, la bobina (a-b) está controlada por los pines B.6 y B.7, y la bobina (c-d) se controla con los pines B.5 y B.4.

La secuencia necesaria para que gire el motor es la siguiente:

AVANCE B.7 B.6 B.5 B.4

  1 0 1 0

1 0 0 1

0 1 0 1

RETROCESO 0 1 0 1

1 0 0 1

1 0 1 0

0 1 1 0

Sensor de iluminación mediante LDR

El LDR es una resistencia que cambia su valor dependiendo de la luz. Su funcionamiento es similar a la NTC.A mayor cantidad de luz menor resistencia y viceversa. Poniendo el LDR en un divisor de tensión obtenernos una tensión proporcional a la temperatura, que se puede leer mediante las entradas analógicas del controlador. El esquema del Sensor de LUZ mediante LDR es el siguiente:

En este caso se ha añadido un LED para observar la variación de luz en el circuito.

Programa Completo con Control por Nivel y Flag de Posición

 Sensor3:

b5 = 1; suponemos inicialmente la persiana subida

 Analoginput:

debug

readadc A.0, b4 ; lee la lectura del sensor y la guarda en b4

if b4 > 129 and b5 = 0 then goto subeventana

if b4 < 130 and b5 =1 then goto bajaventana

goto Analoginput

bajaventana:

low c.7

for b3 = 0 to 50

high b.7 low b.6 high b.5 low b.4

pause 2

high b.7 low b.6 low b.5 high b.4

pause 2

low b.7 high b.6 low b.5 high b.4

pause 2

low b.7 high b.6 high b.5 low b.4

pause 2

next b3

b5 = 0 ; flag de persiana bajada

goto Analoginput

subeventana:

high c.7

for b3 = 0 to 60

low b.7 high b.6 low b.5 high b.4

pause 2

high b.7 low b.6 low b.5 high b.4

pause 2

high b.7 low b.6 high b.5 low b.4

pause 2

low b.7 high b.6 high b.5 low b.4

pause 2

next b3

b5 = 1 ; flag de persiana subida

goto Analoginput

S.4. módulo de sensor 4: sensor de movimiento PIR para el control de los led interiores

Existe un problema con los retardos de este tipo de sensor que es necesario solucionar para su correcto funcionamiento:

- La primera vez que se conecta tarda entre 30 y 60 segundos en funcionar correctamente

- Cada vez que la salida pasa a cero, el sensor se bloquea durante unos 2 segundos

Prevención de Pulsos Falsos por Software

 En el arranque del sistema se dejará inactiva la salida del sensor PIR durante el primer minuto desde que se conecta la alimentación. Utilizaremos el reloj interno (timer3) para contar ese minuto. Además, para prevenir una desconexión repentina de la iluminación cuando no haya movimiento, el led permanecerá encendido durante un cierto tiempo.

La visualización de inactividad durante el primer minuto se muestra mediante un LED conectado a la patilla C.4.

Programa

Sensor4:

         tmr3setup %00010011   ; timer3 on, 1:2 prescalar

vertiempo:

         low C.4                  ; apaga el indicador de 1 minuto

         pause 500            ; short delay

         debug                                ; display timer3 value

         w5 = timer3/13     ; usamos la variable w7 como contador de segundos

         if W5 < 61 then goto vertiempo; anula el sensor durante el primer minuto

main:

         high C.4

         readadc A.2, b12; lee la lectura del sensor y la guarda en b12

         if b12 > 100 then high b.3 wait 10

         else low b.3

         endif

         goto main

S.5. módulo de sensor 5: sensor IR Sharp para la apertura de la puerta de persona mediante servomotor

Sensor de Distancia Infrarrojo Sharp (Detección 10cm <> 80 Cm)

Da un valor de tensión analógico proporcional a la distancia de un objeto

Conexión del Servomotor a Picaxe

Problemas de conexión:

1º) Para conectar el servo a picaxe solamente se pueden utilizar las salidas “B”, no se pueden utilizar las “C”.

2º) Las 4 salidas B amplificadas en lógica positiva mediante el L293D ya están utilizadas para el motor paso a paso de la ventana.

3º) Las 4 salidas B no utilizadas, están conectadas al amplificador en colector abierto 2803A, por lo que no se pueden conectar directamente.

Solución:

Vamos a utilizar la salida B.1 (colector abierto), conectando una resistencia de 1 KΩ para obtener tensión positiva. Esta tensión se meterá a la patilla de control de un amplificador en puente H 9110, y la salida de este amplificador es el que entra como señal de control al servo.

 Calibración del Sensor IR Sharp

Al igual que el servomotor. inicialmento no sabemos cuales son los valores que detecta el sensor. Para conocer los valores según la posición del obstáculo podemos montar un circuito de prueba:

Programa Completo para el Control del Servo

Sensor5: ;IR Sharp para controlar el servo de apertura de puerta

servo b.1,136  ;CUIDADO: para los datos de posición tomar los obtenidos en la prueba de calibración del servo

posicion:

debug

readadc A.3, b14 ; lee la lectura del sensor y la guarda en b14

if b14 > 25 then servopos b.1,250 pause 2000

readadc A.3, b14

if b14 < 25 then servopos b.1,136

endif

endif

pause 500

goto posicion

3.6. módulo de sensor 6: sensor de llama para alarma de incendios

Programa Completo para el Control del Altavoz y las puertas

Vamos a usar una de las tres interrupciones posibles en el Picaxe 28X2. Cuando llega señal del sensor de llama por la entrada C.3, se van a paralizar todos los procesos y va a sonar un sonido de alarma mientras se encienden los led al mismo tiempo. Vamos a usar las instrucciones “setint” y “interrupt”

Sensor6:

setint %00001000,%00001000,C ;interrupcion si el pin C.3 esta alto. El primer número binario (input) indica si el pin está a nivel alto o bajo y el segundo (mask) que bit hay que ver para mirar para la interrupción

ledson: ;si no hay interrupción enciende y apaga los led

high c.7

high b.3

pause 2000

low c.7

low b.3

pause 500

goto ledson

interrupt:

servopos b.1,240 ;abre la puerta de persona

high c.6 low c.5 pause 350 low c.5 low c.6   ;abre puerta de garaje

for b16 = 0 to 2

high c.7     ; si hay interrupcion (c.3 = 1) se ejecuta el bucle

high b.3     ; enciende el Led interior

sound b.0, (85,140)

low c.7

low b.3

sound b.0, (70,120)

if pinC.3 = 1 then interrupt

next

tune B.0, 1, ($80,$84,$87,$90)

if pinC.3 = 1 then interrupt

servopos b.1,136 ; cierra la puerta de persona

high c.5 low c.6 pause 350 low c.5 low c.6   ;cierra puerta de garaje

setint %00001000,%00001000,C ;reactiva la interrupcion

goto ledson