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DISEÑO DE UN SISTEMA SEGURO DE CASILLEROS PARA ALMACENAMIENTO DE
MATERIAL ESTUDIANTIL
3 Bloques de 31 casilleros cada uno, con cerradura electrónica y protección
con clave personal
Presentado por:
PEDRO ANTONIO MORA GONZÁLEZ
Cód. 2420081025
Trabajo de grado presentado como requisito parcial
para optar al Título de Ingeniero Electrónico
Director del trabajo de grado:
Ing. WILLIAM LONDOÑO MARÍN
UNIVERSIDAD DE IBAGUE FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA 2013
.
Contenido Pág.
ÍNDICE DE CONTENIDO
LISTA DE FIGURAS……………………………………………………………….……….1
GLOSARIO.................................................................................................................6
RESUMEN……………………………………………………………………………...........8
INTRODUCCION………………………………………………………………...................9
1 PLANTEAMIENTO BÁSICO – FUNDAMENTACIÓN………….…..10
1.1 Planteamiento del problema…………………………………………….....10 1.2 Objetivos……………………………………………………………………...10 1.3 Alcance……………………………………………………………………….11 1.4 Marco teórico………………………………………………………………...15 1.5 Estado del Arte………………………………………………………………20 1.5.1 Panel de control……………………………………………………..…...21 1.5.2 Requisitos físicos de los casilleros………………………………..…...22 1.5.3 Requisitos eléctricos de los casilleros…………………………..…….22
2 DISEÑO Y REPARACION DEL SISTEMA DE CASILLEROS……23
2.1 Diseño de circuitos ………………………………….....................................25 2.1.1 Diseño del sistema de control para motores y leds ………….……25
2.1.2 Circuito principal o de administración………………………………..27
2.1.3 Circuito de control……………………………………………………..37
2.1.4 Circuito de interfaces de potencia …………………………………..43
2.1.5 Tarjeta para pantalla de displays……………………………………..49
2.2 Diagrama de flujo para software de control de los casilleros……………..52
3 ANALISIS DE RESULTADOS………………………………………..58
3.1 Evaluación y muestra de las reparaciones físicas………………………….58 3.1.1) Identificación de cableado……………………………………………..58
3.1.2) Organización y ajuste de las puertas de los casilleros…………….59
3.2 Diseño de nuevas tarjetas y reducción de las tarjetas originales…………63
3.3 Implementación de fuentes independientes para mejorar la eficiencia…..66
3.4 Funcionamiento de los casilleros……………………………………………..67
3.5 Materiales utilizados en el proyecto…………………………………………..68
4 CONCLUSIONES.............................................................................70 5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS…………………………………..71 6 ANEXOS………………………………………………………………….72
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LISTA DE FIGURAS
Fig. 1: Diagrama de características físicas para un bloque de casilleros.
Fig. 2: Teclado matricial 4x4.
Fig. 3: Microcontrolador PIC 16F877A.
Fig. 4: Diagrama de bloques funcionales para el sistema de casilleros.
Fig. 5: Sistema de control para un motor y un led.
Fig. 6: Diagrama de bloques del circuito principal.
Fig. 7: Diagrama circuital de la tarjeta principal.
Fig. 8: Imagen del circuito principal o de administración.
Fig. 9: Filtro RC pasabajos.
Fig. 10: Imagen del diseño pcb de la tarjeta principal.
Fig. 11: Diseño del impreso tarjeta principal.
Fig. 12: Circuito de interfaces de control.
Fig. 13: imagen de la tarjeta de control.
Fig. 14: Imagen diseño PCB de la tarjeta de control.
Fig. 15: Diseño impreso tarjeta control.
Fig. 16: Circuito de interfaces de potencia.
Fig. 17: Imagen tarjeta interfaz de potencia.
Fig. 18: Diseño PCB de tarjeta de interfaz de potencia.
Fig. 19: Imagen del impreso de la tarjeta interfaz de potencia.
Fig. 20: Esquema circuital de la pantalla.
Fig. 21: Imagen de tarjeta de los displays.
Fig. 22: Diseño pcb tarjeta displays.
Fig. 23: Imagen impreso de la tarjeta displays.
Fig. 24: Cableado inicial de los casilleros.
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Fig. 25: Cableado en mal estado de las puertas de los casilleros.
Fig. 26: Puertas restauradas con todo su conjunto de cables.
Fig. 27: Accionamiento mecánico de las pistolas de bloqueo.
Fig. 28: Pistolas en mala posición.
Fig. 29: Tarjetas de activación de las pistolas una por cada casillero.
Fig. 30: Nueva tarjeta de interfaz potencia implementada.
Fig. 31: Tarjeta de interfaces de control lado izquierdo, tarjeta principal lado
derecho.
Fig. 32: fuentes de alimentación lado izquierda para tarjeta principal lado derecho
para motores o pistolas.
Fig. 33: Proceso de cierre de un casillero con el nuevo sistema.
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NOTA DE ACEPTACION
_____________________________________
_____________________________________
_____________________________________
Presidente del Jurado
_____________________________________
Nombre del Jurado
_____________________________________
Nombre del Jurado
_____________________________________
Ciudad y fecha (día, mes, año)
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DEDICATORIA
Este trabajo es dedicado a mis padres y hermanos, gracias a que me brindaron todo su
apoyo durante la elaboración de este proyecto, así como durante todo el desarrollo de mi
carrera profesional aguardando siempre la esperanza y optimismo de poder alcanzar
este gran logro para mi vida. .
También va dedicado a mis amigos que me acompañaron en cada momento, haciendo
que mi motivación y esfuerzo siempre estuviera con un espíritu vencedor para seguir
adelante.
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AGRADECIMIENTOS
Agradezco a él Ingeniero WILLIAM ALEXANDER LONDOÑO MARÍN, Ingeniero
Electrónico y Director del programa de Ingeniería Electrónica de la Universidad de Ibagué,
por las asesorías brindadas para el desarrollo de este proyecto y su apoyo incondicional
para la culminación del mismo.
De igual forma agradezco a la señora LUZ MERY ZAPATA, Directora de la biblioteca de
la universidad de Ibagué por el apoyo brindado al facilitarme el ingreso a estas
instalaciones y realizar mí practica de forma satisfactoria.
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GLOSARIO
Buzer: Es un transductor electro acústico que produce un sonido o zumbido continuo o
intermitente de un mismo tono. Sirve como mecanismo de señalización o aviso, y son
utilizados en múltiples sistemas como en automóviles o en electrodomésticos.
Capacitor: Es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de
almacenar energía sustentando un campo eléctrico.
Diodo: Es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la
corriente eléctrica a través de él en un solo sentido.
Display 7 segmentos: Es una forma de representar números en equipos eléctronicos. Está
compuesto de siete segmentos que se pueden encender o apagar individualmente. Cada
segmento tiene la forma de una pequeña línea. Se podría comparar a escribir números
con cerillas o fósforos de madera.
EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory): Es un tipo de
memoria ROM que puede ser programada, borrada y reprogramada eléctricamente, a
diferencia de la EPROM que ha de borrarse mediante un aparato que emite rayos
ultravioleta. Son memorias no volátiles.
Integrado 7805: Es la denominación de una popular familia de reguladores de
tensión positiva. Es un componente común en muchas fuentes de alimentación. Tienen
tres terminales (voltaje de entrada, masa y voltaje de salida) y especificaciones similares
que sólo difieren en la tensión de salida suministrada o en la intensidad.
LED (Light Emitting Diode): Es un diodo semiconductor que emite luz. Se usan como
indicadores en muchos dispositivos, y cada vez con mucha más frecuencia, en
iluminación.
Oscilador de Cristal de cuarzo (4MHZ): Se caracteriza por su estabilidad de frecuencia y
pureza de fase, dada por el resonador La frecuencia es estable frente a variaciones de la
tensión de alimentación. La dependencia con la temperatura depende del resonador, pero
un valor típico para cristales de cuarzo es de 0' 005% del valor a 25 °C.
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PIC: Los PIC son una familia de microcontroladores tipo RISC fabricados por Microchip
Technology Inc. y derivados del PIC1650, originalmente desarrollado por la división de
microelectrónica de General Instrument.
Relevo: El relé o relevador es un dispositivo electromecánico. Funciona como un
interruptor controlado por un circuito eléctrico en el que, por medio de una bobina y un
electroimán, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar
otros circuitos eléctricos independientes.
Teclado matricial: Es un teclado alfanumérico utilizado para controlar un dispositivo. Se le
llama matricial debido a que su estructura física corresponde a una matriz de teclas.
Transistor: Es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones
de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. Básicamente tiene dos grandes
funciones la primera sirve para dejar pasar o cortar señales eléctricas a partir de una
pequeña señal de mando y funciona como un elemento amplificador de señales.
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RESUMEN
En este proyecto se busca implementar una gran herramienta de seguridad para la
biblioteca y para el control de acceso de los estudiantes a la misma dando un mayor
orden y una mayor comodidad a todos los que nos vemos beneficiados de ella. El sistema
que se va desarrollar busca por medio de unas claves asignadas a gusto por el usuario
guardar sus pertenencias de uso educativo mientras realiza todas sus actividades al
interior de la biblioteca. Consta de una pantalla de visualización compuesta por displays y
un teclado matricial para poder realizar todas las acciones de control del programa.
Este sistema cuenta con un software de control para poder almacenar las contraseñas y
para realizar el accionamiento de los motores y leds indicadores que se localizan detrás
de cada puerta en todos los casilleros. La idea es poder tener un sistema fácil de manejar
pero con un alto grado de calidad permitiendo el avance tecnológico que se tenga al
interior de la universidad.
Para poder llevar a cabo este proyecto nos hemos basado en la implementación de
algunas técnicas aprendidas a lo largo de la carrera en particular las asignaturas
correspondientes al área de la electrónica digital teniendo claridad en el funcionamiento
de los microcontroladores y en el desarrollo de leguaje de programación. Es de anotar
que como ingenieros electrónicos tenemos la posibilidad de analizar diferentes campos o
especialidades de la carrera ya que gracias a la formación integral recibida poseemos la
capacidad de poder defendernos en diferentes circunstancias o ramas de enfoque que se
vayan a tratar. La realización de todo el sistema en general cuenta con dispositivos de
fácil acceso comercialmente y de un manejo accesible sin tener la necesidad de
incrementar el grado de complejidad.
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INTRODUCCION
El sistema electrónico que se va a desarrollar y a explicar detalladamente tiene como
objeto el poder hacer uso de elementos técnicos y teóricos adquiridos a lo largo de la
carrera y depositarlos en un propósito, el cual es poder ser profesionales que tengan la
oportunidad de aportar y poner a disposición su conocimiento para el beneficio de la
región, país o área donde se quiera ejercer, haciéndolo siempre con calidad, honestidad,
responsabilidad y con el respeto a los semejantes con quienes se vaya a tener trato
interpersonal a lo largo de la vida.
El diseño tendrá como punto de partida la creación e implementación del software que
controlara cada uno de los cubículos o puertas de cada bloque, de tal forma que el
método de uso sea claro para el usuario final, apoyándose con un bombillo indicador el
cual permitirá al usuario identificar su estado (cerrado-abierto).y por medio de la
visualización de toda la información necesaria por medio de una pantalla numérica. Para
que este software pueda ser implementado se hará uso de microcontroladores que, en
conjunto con un sistema de conmutación transistorizado e interfaces de potencia
adecuadas, controlarán la apertura y cierre de casilleros personales, protegidos por medio
de un sistema de claves únicas que serán almacenadas en memoria, y anexando también
un sistema de apertura de emergencia en el cual por medio de una clave maestra se
tendrá la posibilidad de abrir un casillero cuya clave no sea recordada.
Los casilleros serán de uso continuo y por tal razón deberán estar protegidos por un
armazón de alta calidad el cual soporte las adversidades y tratos desmedidos del público,
resguardando y protegiendo siempre el sistema de control de los mismos. Este sistema se
realiza con el fin de aportar un beneficio al estudiantado y al personal de biblioteca para el
cual se es desarrollado, garantizando orden dentro de la misma y un alto índice de
seguridad para todo el material presente en las instalaciones, destacando también que
para mantener un funcionamiento satisfactorio a pesar del uso continuo por grandes
cantidades de personas será indispensable realizar revisiones continuas y
mantenimientos preventivos en aras preservar su vida útil.
La ingeniería como el estudio de la ciencia en especial de la física y las matemáticas
siempre tienen como objeto el desarrollo y la creación e invención de sistemas o
proyectos que mejoren la calidad de vida de los individuos, es por eso que para la
realización de este sistema se dispuso de todo material y herramientas que permitieran
una exactitud y verificación del rendimiento optimo por medio de simulaciones y equipos
que dieran una mayor información en tiempo real para así constatar con los cálculos
teóricos, y diseños matemáticos planteados con anterioridad. La disposición y el fin que
siempre se tuvo es el garantizar siempre un exitoso trabajo para lo cual se contó con el
apoyo técnico y práctico de programas o software que ejecutaran un comportamiento
similar al que se quería llegar y así dar por hecho el respectivo funcionamiento dejando en
alto el desarrollo de la electrónica como una ciencia exacta que se pueda aplicar al
servicio y poner a disposición del mundo entero.
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1. PLANTEAMIENTO BÁSICO - FUNDAMENTACIÓN
1.1) Planteamiento del Problema:
La cantidad de material de valor que se tiene en la biblioteca de la Universidad de Ibagué
hace necesario pensar en la seguridad de los mismos. Teniendo en cuenta que la
afluencia de gente a estos establecimientos es siempre constante, y que muchas
personas llevan consigo elementos de almacenamiento como bolsos y maletas, se debe
instalar un sistema que permita guardar y gestionar dicho material para reducir el riesgo
de pérdida o hurto de libros, accesorios multimedia, u otros elementos constitutivos de la
biblioteca.
Los casilleros que se encuentran instalados en la biblioteca presentan problemas de corto
circuito, de encendido del sistema y algunos casilleros han dejado de funcionar, limitando
la capacidad de uso que tienen y obligando a los estudiantes a ingresar con sus morrales
y demás pertenencias, poniendo en riesgo la integridad material del recinto. Se debe tener
en cuenta también que los fabricantes del sistema no brindaron un manual donde se
especifiquen procedimientos de mantenimiento ni estuvieron prestos a realizar dicho
servicio, haciendo que el sistema se deteriorara progresivamente.
Teniendo en cuenta lo anterior, ¿qué procedimiento se debe realizar para colocar
nuevamente en funcionamiento los sistemas de casilleros que se encuentran en la
Biblioteca de la Universidad de Ibagué?
1.2) Objetivos:
o Objetivo general: Diseñar un sistema de casilleros que permita almacenar
los elementos personales de los usuarios de forma que sean difíciles de
hurtar, con el fin de garantizar la protección de los recursos bibliotecarios.
o Objetivos específicos:
Rediseñar el sistema de administración de casilleros de la
biblioteca, reutilizando aquellos componentes que aún se
encuentren en buen estado (como estanterías, bombillos, motores y
cables).
Planear y realizar el sistema de apertura y cierre de los casilleros, a
partir del uso de motores en forma de pistola (usados para el
manejo automático de seguros en un automóvil), y el sistema
eléctrico que permita su control desde uno o varios
microcontroladores centrales.
Diseñar los circuitos necesarios para el control del sistema por parte
del usuario (interfaz de usuario), para el sistema de gestión de
casilleros y contraseñas (circuitos principales) y las interfaces de
potencia para el control de motores y bombillos.
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Programar el software de control necesario para recibir las
instrucciones del usuario, procesar las contraseñas de cada uno y
gestionar la apertura y cierre de cada puerta, todo sobre uno o
varios microcontroladores PIC.
1.3) Alcance:
El proyecto comienza realizando un diagnóstico de los problemas que tienen los casilleros
instalados en la Biblioteca. Los inconvenientes encontrados en este sistema son:
o El sistema se reinicia repentinamente: Cada vez que un casillero es abierto o
cerrado, el sistema se apaga momentáneamente y vuelve a encenderse sin previo
aviso. Esto se debe a que las interfaces de potencia diseñadas para este sistema
no alimentan correctamente los motores, haciendo que estos consuman corriente
proveniente de la sección de control (la cual trabaja con valores pequeños de
potencia), con lo que la fuente de dicha sección se queda sin capacidad de brindar
energía suficiente para todos los componentes.
o Algunos casilleros no abren ni cierran sus puertas: Al realizar apertura o cierre de
ciertos casilleros, los motores no se activan a pesar de que el sistema indica que
se ha realizado la acción. Este problema puede deberse a una o varias de las
siguientes causas:
Los transistores que hacen parte de la interfaz de control de ese motor se
encuentran averiados.
No hay conexión entre el motor y la interfaz de control, por lo que no llega
la señal de alimentación al motor.
o La clave maestra ha sido extraviada y no es posible su reconfiguración: Los
administrativos de Biblioteca han extraviado la clave maestra de los casilleros, la
cual es utilizada para abrir aquellos casilleros que no puedan ser desbloqueados
por los usuarios. Los fabricantes del sistema no han accedido a reprogramar los
módulos de control para restablecer la clave maestra, dejando al sistema
inutilizable.
o La circuitería interna del sistema se encuentra desordenada, sin marcadores en
sus componentes que permitan un futuro mantenimiento: Los cables que conectan
los diferentes componentes entre sí no tienen identificación alguna, haciendo más
complicadas las labores de mantenimiento preventivo y correctivo.
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o Algunos bombillos indicadores de bloqueo no funcionan: Cuando un casillero es
cerrado su bombillo indicador correspondiente no enciende. Esto puede deberse a
que el bombillo se encuentra averiado, o a que los transistores de su interfaz de
control han dejado de funcionar.
o Uno de los dos bloques de casilleros posee una sola fuente de alimentación, por lo
que debe hacer funcionar los motores, módulos de control, bombillos, pantallas y
demás componentes, y no posee la potencia necesaria para suplir todas estas
actividades.
De acuerdo al diagnóstico realizado, se realizarán las siguientes acciones para solucionar
cada uno de los problemas:
o Se diseñará un nuevo sistema de administración y control de los casilleros, donde
la activación de los motores de bloqueo no afecte el funcionamiento de la sección
de control gracias a una alimentación independiente para cada área. Esto evitará
que el sistema se reinicie sin previo aviso.
o Para solucionar el problema de apertura y cierre de casilleros se realizarán los
siguientes procedimientos:
A partir del nuevo diseño de la circuitería interna se reemplazarán todos los
componentes que puedan estar dañados, como transistores, capacitores,
resistencias, entre otros.
Se reemplazarán todos aquellos cables que no estén alimentando
correctamente los motores de aquellos casilleros que no funcionan.
o Junto con el rediseño de los circuitos, se debe construir un programa que
administre el funcionamiento de todo el sistema. Este software se encargará de
abrir o cerrar los casilleros, almacenar las claves de usuario para el desbloqueo de
cada casillero, así como la clave maestra que permite al personal administrativo
desbloquear casilleros que no pueden ser abiertos por los usuarios.
o El diseño y la construcción de los circuitos se realizará de forma organizada y
coherente, para que el proceso de mantenimiento, sea preventivo o correctivo,
pueda llevarse a cabo de manera rápida y sin riesgo de dañar otros componentes
ajenos al problema que se vaya a solucionar.
o Aquellos bombillos indicadores de bloqueo que no funcionen serán reemplazados
por unos nuevos. Si el bombillo se encuentra en buen funcionamiento y aún así
no enciende, se cambiará el cable que conecta al dispositivo con la interfaz de
control correspondiente.
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o El nuevo diseño circuital utilizará dos fuentes de alimentación independientes: una
para el sitema de control digital y otra para los dispositivos de potencia (motores y
bombillos). Esto garantiza el correcto funcionamiento de todo el sistema y prolonga
la vida útil de los componentes, gracias a que cada uno se alimenta con la energía
justa que requiere.
Teniendo en cuenta el plan de acción que se construye para solucionar los problemas
mencionados, se procede a realizar el diseño de los circuitos necesarios para que el
sistema funcione de forma óptima. Dichos circuitos se pretenden dividir en tres partes:
o Circuito de control: Esta placa está conformada por los módulos de control que
manejan todo el sistema de casilleros, así como por el circuito de alimentación
y protección de la plataforma, los circuitos de control de las interfaces de
usuario (pantalla y teclado), y el control de polaridad de los motores (para
hacer que abran o cierren la puerta).
o Circuito de transistores: Está compuesta por una matriz de transistores que
controlan la activación o desactivación (conmutación) tanto de los motores
como de los bombillos indicadores de uso para cada puerta.
o Circuito de relevos: Lo conforman todos los relés, diodos y demás
componentes que sirven como controlador de los motores de cierre de cada
puerta, así como los bombillos indicadores de uso.
o Circuito de pantalla: Contiene los displays 7 segmentos, y otros componentes
que sirven para el control de los mismos por parte del microcontrolador
principal.
Después de construir todos los circuitos, se procederá a programar el software que
controla todo el sistema. Este programa debe controlar los siguientes aspectos:
o Control de la interfaz de usuario, es decir, de la pantalla y el teclado para que
la persona pueda manejar el sistema de una forma sencilla, rápida e intuitiva.
o Almacenamiento y manejo de las contraseñas y casilleros de todos los
usuarios registrados.
o Control de acceso de los usuarios que vayan a retirar sus pertenencias.
o Activación de los motores de las puertas, ya sea para su apertura o su
bloqueo.
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o Activación de bombillos que indican si un casillero se encuentra ocupado.
o Manejo de una clave maestra para abrir los casilleros por parte de un
administrativo en caso de que a un usuario se le olvide la clave de acceso.
Después de tener todos los circuitos construidos, se procede al montaje de los mismos
dentro de la estantería metálica de forma que queden protegidos contra golpes o malos
usos. Seguidamente se procede con las instalaciones eléctricas que deben conectar los
motores, los leds indicadores, las pantallas, los teclados, y las distintas placas circuitales
entre sí, para permitir que todo el sistema funcione de manera armónica.
Por último se instalan los motores dentro de cada puerta, de forma que al cerrar la puerta
ésta quede bien asegurada y sea muy difícil abrirla de forma violenta. Luego se instalan
los bombillos indicadores dentro de cada puerta para alertar a los usuarios sobre aquellos
casilleros ocupados.
Funcionalmente, el sistema tiene las siguientes características:
1) Control de apertura y cierre de casilleros a partir de una clave personal digitada
por cada usuario por medio del teclado alfanumérico. Esto permite que el casillero
quede bloqueado con una única clave, desbloqueándolo posteriormente con esta.
2) Indicación de casilleros ocupados a partir de activación de bombillos (uno por cada
casillero), uno para cada casillero. Sirve para que los usuarios sepan qué
casilleros se encuentran disponibles para su uso.
3) Almacenamiento de claves en memoria interna incluso si se apaga o se
desconecta el sistema de la red eléctrica. Mantiene las claves almacenadas en
memoria sin depender de la red eléctrica, por lo que si se apaga el sistema las
contraseñas no se borran.
4) Desbloqueo de casilleros a partir de una clave maestra para uso de personal
administrativo, en caso de olvido de una clave por parte del usuario o para abrir
todos los casilleros en horas de salida.
5) Información en pantalla de 4 dígitos de todos los procedimientos realizados, como
digitación de números de casilleros, claves, indicación de apertura o cierre, entre
otros.
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Físicamente, el sistema de un bloque de casilleros tiene las siguientes características:
Marco teórico o de referencia:
Fig. 1: Diagrama de características físicas para un bloque de casilleros.
1.4) Marco teórico:
Para que todo el sistema funcione de manera armónica y coherente debe existir un
componente que administre el comportamiento del mismo. Para el caso del sistema de
casilleros, dicho componente tiene que controlar la apertura y cierre de cada puerta,
almacenar las claves que cada usuario elija para bloquear su compartimiento, recibir los
comandos que un usuario indique y presentar en una pantalla información relevante sobre
la interacción que el usuario tiene con el sistema.
Un componente que es capaz de realizar todas las tareas mencionadas anteriormente es
el microcontrolador, el cual es un dispositivo que se emplea para el gobierno de uno o
varios procesos.
Casillero 1 Casillero 2 Casillero 3 Casillero 4 Casillero 5 Casillero 6 Casillero 7 Casillero 8
Casillero 9 Casillero
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Casillero
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Casillero
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Casillero
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Casillero
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Casillero
29
Casillero
30
Casillero
31
Pantalla
indicadora
Teclado
alfanumérico
Bombillo
indicador
2m
4m
48cm
45cm
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Aunque el concepto de microcontrolador ha permanecido invariable a través del tiempo,
su implementación física ha variado frecuentemente. Hace tres décadas, los
microcontroladores se construían exclusivamente con componentes de lógica discreta,
posteriormente se emplearon los microprocesadores, que se rodeaban con chips de
memoria y E/S sobre una tarjeta de circuito impreso. En la actualidad, todos los elementos
de un microcontrolador se han podido incluir en un único chip. Realmente consiste en un
sencillo pero completo computador contenido en el corazón (chip) de un circuito integrado.
Un microcontrolador, entonces, es un circuito integrado de alta escala de integración que
incorpora la mayor parte de los elementos que configuran un controlador.
Normalmente está formado por los siguientes componentes:
Procesador o UCP (Unidad Central de Proceso).
Memoria RAM para Contener los datos.
Memoria para el programa tipo ROM/PROM/EPROM.
Líneas de E/S para comunicarse con el exterior.
Diversos módulos para el control de periféricos (temporizadores, Puertas Serie y
Paralelo, CAD: Conversores Analógico/Digital, CDA: Conversores
Digital/Analógico, etc.).
Generador de impulsos de reloj que sincronizan el funcionamiento de todo el
sistema.
Los productos que para su regulación incorporan un microcontrolador disponen de las
siguientes ventajas:
Aumento de prestaciones: un mayor control sobre un determinado elemento
representa una mejora considerable en el mismo.
Aumento de la fiabilidad: al reemplazar el microcontrolador por un elevado número
de elementos disminuye el riesgo de averías y se precisan menos ajustes.
Reducción del tamaño en el producto acabado: La integración del microcontrolador
en un chip disminuye el volumen, la mano de obra y los stocks.
Mayor flexibilidad: las características de control están programadas por lo que su
modificación sólo necesita cambios en el programa de instrucciones.
El microcontrolador es en definitiva un circuito integrado que incluye todos los
componentes de un computador. Debido a su reducido tamaño es posible montar el
controlador en el propio dispositivo al que gobierna. En este caso el controlador recibe el
nombre de controlador empotrado (embedded controller).[1]
Para la selección del tipo de microcontrolador a utilizar se debe tener en cuenta la
cantidad de casilleros que se van a administrar, la cantidad de memoria de
almacenamiento que debe poseer para guardar todas las claves y la capacidad que tenga
para controlar todos los procesos inherentes al control de cada casillero (apertura y cierre
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de puertas, activación de bombillos indicadores), la recepción de órdenes y la
presentación de información al usuario.
En cuanto a la cantidad de casilleros que se administran por cada bloque se tiene un total
de 31 compartimentos. Cada uno de estos módulos posee un motor que cierra y abre la
puerta, además de un bombillo indicador de uso que se enciende cada vez que se cierra
el casillero. Esto quiere decir que en total se deben enviar 62 señales de activación
independientes, pero debido a que los microcontroladores más grandes disponibles en el
mercado vienen con un total de 40 pines, se pretende diseñar un arreglo matricial de
transistores para que por medio del uso compartido de los mismos se puedan activar
todos los dispositivos desde un solo microcontrolador. En la sección de diseño circuital se
tratará el tema de la construcción del arreglo matricial de transistores a fin de utilizar un
solo microcontrolador de 40 pines para controlar los 31 motores y los 31 bombillos
indicadores.
El dispositivo de control también debe mantener en su memoria todas las claves de los
casilleros que se encuentran bloqueados, además de una clave maestra que ayuda a los
administrativos a desbloquear aquellos módulos que los usuarios no puedan desbloquear
por pérdida de la clave original. Como cada clave es de 4 dígitos su valor máximo puede
ser de “9999”, por lo cual se debe utilizar un espacio de memoria de 16 bits para
almacenar dicho número. En total, contando las claves de todos los 31 casilleros y
también la clave maestra, el microcontrolador deberá tener un mínimo de 512 bits (64
bytes) de capacidad de almacenamiento en memoria EEPROM. Se pretende almacenar
en este tipo de memoria para que, si el sistema se apaga por intención de un usuario o
por corte del suministro eléctrico, no se pierdan las claves de los casilleros cerrados y
puedan ser abiertos posteriormente sin problema alguno.
Para que un usuario pueda controlar las acciones del sistema, el microcontrolador debe
recibir las órdenes a través de un dispositivo que incluya números (para indicar el número
del casillero y la clave de seguridad) y letras (para registrar las claves y permitir la
apertura o cierre del casillero, borrar un número ingresado, cancelar alguna acción
realizada o entrar en modo maestro para desbloquear casilleros a través de la clave
maestra). Un dispositivo que cumple con estas condiciones es el teclado matricial, y se
muestra en la figura 2.
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Fig. 2: Teclado matricial 4x4 [2]
El teclado matricial presentado en la figura 2 posee todos los dígitos necesarios para
ingresar las claves de bloqueo, y las letras necesarias para controlar el comportamiento
del sistema. Para recibir las pulsaciones realizadas por el usuario el microcontrolador
debe tener 8 pines disponibles, los cuales irán conectados a este teclado.
Para que el usuario pueda guiarse en el manejo que realiza a los casilleros, debe
presentarse información en una pantalla acerca del estado del sistema. Teniendo en
cuenta que la clave es de 4 dígitos se construirá entonces una pantalla de 4 displays, la
cual debe ser administrada por el microcontrolador principal.
Los displays a utilizar son del tipo 7 segmentos [3], y a fin de controlar cada uno con los
mismos 7 pines para todos (en vez de utilizar 28) se implementa un circuito que encienda
cada display por cierto tiempo y envíe la información correspondiente al mismo durante
ese periodo, a tal velocidad que el ojo humano no perciba los cambios de display sino que
perciba a todos prendidos al mismo tiempo. Para los circuitos conmutadores (uno por
cada display) deben usarse 4 pines más, indicando de esta forma el display que debe
encenderse cada vez.
Sumando los pines que deben utilizarse para controlar el teclado alfanumérico y la
pantalla digital se tiene un total de 20, por lo que se debe utilizar un microcontrolador de
40 pines (no se puede usar uno de 20 porque se deben descontar los pines de
alimentación y de oscilador, que son 4 en total). Un microcontrolador que cumple con
estas especificaciones, tanto de puertos como de memoria interna es el PIC 16F877A,
mostrado en la figura 3.
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Fig. 3: Microcontrolador PIC 16F877A [4]
Como se observa en la figura 3, el microcontrolador PIC 16F877A posee 33 puertos de
comunicación (puertos RA0 a RA5, RE0 a RE2, RC0 a RC7, RD0 a RD7 y RB0 a RB7).
Los otros puertos son para alimentación (VDD y VSS), reinicio (MCLR) y oscilador externo
(OSC1 y OSC2). Según el datasheet del dispositivo [4], éste tiene una memoria EEPROM
interna de 256 bytes, más que suficiente para los 64 bytes requeridos en el
almacenamiento de claves.
Debido a que quedan pocos pines disponibles en este microcontrolador y todavía falta
controlar la apertura y cierre de motores junto con el encendido de los bombillos
indicadores, actividades en las que se necesitan usar casi todos los puertos del PIC, es
indispensable adicionar otro microcontrolador de las mismas prestaciones que el anterior
para que se dedique a esta tarea. Otra alternativa al uso de un segundo microcontrolador
es un arreglo de varios demultiplexores de 1 a 8 (como se muestra en [14]), configurados
de tal forma que permitan controlar todos los 62 dispositivos desde el microcontrolador
principal. Para hacer esto, se deben utilizar 8 integrados, y aproximadamente 10 puertos
del microcontrolador. Comparando los costos de utilizar demultiplexores, resulta más
económica la segunda opción (cada uno cuesta aproximadamente $800, por 8 unidades
son $6400, junto con el miccrocontrolador [$9400] suman $15800), aunque sigue siendo
inviable su uso debido a que el microcontrolador principal no posee los puertos suficientes
para administrar el comportamiento de todos los dispositivos.
Pág. 20
1.5) Estado del Arte:
Los casilleros en el mercado actualmente son estrechos, de distintas alturas y niveles. La
anchura y la profundidad por lo general se ajustan a las medidas estándar, aunque
ocasionalmente se encuentran tamaños no estándar. Los lugares públicos con lockers a
menudo contienen un gran número de ellos, como en una escuela. Por lo general son de
hoja de metal pintado que se conocen como casilleros metálicos.
Las características que generalmente los distinguen de otros tipos de muebles, armarios o
recipientes de almacenamiento son:
o Son generalmente equipados con un bloqueo, o al menos una instalación de cierre
con candado (ocasionalmente dos).
o Por lo general son destinados a ser utilizados en lugares públicos, y destinados al
uso privado de corto o de largo plazo de los individuos para almacenar la ropa u
otros artículos personales. Los usuarios pueden alquilar un casillero para un único
uso o para un período de tiempo para uso repetido. Algunos casilleros se ofrecen
como un servicio gratuito a las personas para participar de ciertas actividades que
requieren de la custodia de objetos personales.
o Hay por lo general, pero no siempre, varios de ellos unidos entre sí.
Los casilleros están físicamente unidos en bancos, y se hacen comúnmente de acero,
aunque también de madera, laminados y plástico. Los casilleros de acero que están
juntos en bancos se construyen partiendo de un armario completo; armarios adicionales
pueden entonces añadirse construyendo el suelo, techo, pared trasera, puerta, y sólo una
pared lateral adicional, la pared lateral existente de el casillero anterior sirve como la otra
pared lateral de la nueva. Las paredes, suelos y techos de los armarios pueden ser
clavados juntos (el método más tradicional) o, más recientemente, soldados entre sí.
Las puertas de los casilleros suelen tener algún tipo de ventilación para proporcionar un
flujo de aire y ayudar en la limpieza. Estos respiraderos suelen adoptar la forma de una
serie de lamas horizontales inclinadas en la parte superior e inferior de la puerta, aunque
a veces se encuentran filas paralelas de pequeños orificios cuadrados o rectangulares,
corriendo hacia arriba y abajo de la puerta. Menos frecuentemente, las paredes traseras o
laterales también pueden tener ventilación similar.
Estas puertas por lo general tienen refuerzos verticales fijos en el interior de la puerta, en
forma de una placa metálica soldada a la superficie interior, y que sobresale hacia fuera
una fracción de una pulgada, lo que contribuye a la robustez de la puerta y haciendo más
difícil forzar la apertura.
Los armarios son a menudo fabricados por las mismas empresas que producen
archivadores, armarios de escritorio (en ocasiones erróneamente referido como
casilleros), estanterías de acero y otros productos a base de chapa de acero [5].
Pág. 21
Para solucionar los problemas de los casilleros se hace un reconocimiento a uno de los
bloques que funciona correctamente, seguido de un plan de trabajo en base a las
características físicas y circuitales del bloque. Entre las propiedades físicas y circuitales
se encuentran las siguientes:
o Características físicas y funcionales de los casilleros:
Los casilleros cuentan con una estructura armazón fabricado en aluminio, de
unas dimensiones de 2m de alto por 4m de ancho.
Con estas dimensiones se tiene que cada cubículo o cajón tiene unas medidas
de 45 cm por 48 cm:
1. Cada cubículo cuenta con una manija fabricada en plástico, la cual es
sujeta en la mitad de la puerta del cajón en la parte izquierda del mismo.
2. Las puertas constan de dos bisagras, sostienen el bombillo indicador el
cual es protegido por la manija la cual prestara la facilidad de abertura de
dicho cubículo.
3. Las puertas en la parte trasera son fabricadas con una cavidad aproximada
de 12cm la cual tendrá como función primordial sostener la pistola eléctrica
que se encargara de cerrar o abrir el casillero correspondiente
debidamente sujetado con chazos y tornillos.
1.5.1) Panel de control
1. Pantalla de visualización
Está compuesta por cuatro displays 7 segmentos cátodo común, en donde
cada display está acompañado de su respectiva interfaz de control
permitiendo que su alimentación provenga directamente de la fuente
principal y no del mircro controlador o tarjeta de mando, evitando así
cargas excesivas de corriente que puedan averiarlo permanentemente.
2. Teclado.
Es un teclado matricial de 16 teclas alfanuméricas permite el control por
parte del usuario. Las letras del teclado son aprovechadas para ingresar
información al sistema de tal forma que pueda realizar las acciones
solicitadas, cabe anotar que este panel esta hecho de laminas de aluminio
recubiertas con un impreso con un impreso plástico en donde se india las
instrucciones para su correcto uso.
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1.5.2) Requisitos físicos de los casilleros:
Los casilleros están instalados en un área de gran extensión para permitir al usuario una
comodidad al personal de control y vigilancia de la biblioteca, así como una mayor
organización dejando espacios alternos para evitar las multitudes.
Los bloques de casilleros deben estar separados 5cm de la pared para que haya
circulación de aire en aras de mantener el sistema en una temperatura adecuada para su
funcionamiento continuo.
Como todos los bancos de casilleros están en la misma zona, estos guardan como
mínimo un 1.5m de espacio entre cada uno para garantizar un flujo constante de personal
estudiantil sin inconvenientes.
1.5.3) Requisitos eléctricos de los casilleros:
Para alimentar correctamente los casilleros, el bloque posee dos tomas de 110 voltios AC
a 60 Hz. Estas fuentes de alimentación están reguladas para evitar sobretensiones que
puedan averiar gravemente los componentes electrónicos. Esto se ha garantizado con la
implementación de dos adaptadores de voltaje 12vDc independientes con protección
interna.
La alimentación posee polo a tierra a fin de proteger el sistema contra descargas
provenientes de tormentas eléctricas. [6]
Se utilizan dos conversores de voltaje de 120VAC-60Hz a 12VDC, los cuales serán los
encargados de alimentar el circuito en general. Para ello son empleados dos adaptadores
DC variables los cuales cuentan con una entrega de corriente máxima de 2500mA,
garantizando una buena alimentación de potencia.
Cada adaptador tiene un propósito en particular. Un adaptador se encarga de alimentar
los motores y los LEDs indicadores, mientras que el otro alimenta los componentes
electrónicos de alta potencia (motores, bombillos). La utilización de dos fuentes
independientes garantiza que el accionamiento de los motores no interfiera con el
funcionamiento de los circuitos de control en cuanto a las altas corrientes manejadas por
los motores.
Para visualizar mejor el funcionamiento del sistema según el reconocimiento realizado, en
la figura 4 se muestra un diagrama de bloques funcionales y la forma como relacionan
entre sí, incluyendo todos los componentes relacionados anteriormente.
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Fig. 4: Diagrama de bloques funcionales para el sistema de casilleros.
2. DISEÑO Y REPARACIÓN DEL SISTEMA DE CASILLEROS
Como primera medida se comenzó a remover las tarjetas que antes se habían instalado,
debido a que presentaban algunas fallas en su funcionamiento y no brindaban la
eficiencia necesaria para el uso frecuente que tenían.
Programa administrador de
claves, controlador de pantalla y
de teclado
Programa controlador de
apertura y cierre de puertas,
administrador de bombillos
indicadores de uso
Pantalla de 4 dígitos Teclado matricial 4x4
Apertura/cierre de
31 puertas
Activación de 31
bombillos
indicadores de uso
Fuente de 12Vdc
Fuente de 12Vdc
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En base a los primeros casilleros instalados se optó por hacer un estudio de reingeniería
a todo su sistema ya que estos no presentan defectos o fallas cuando se utilizan
masivamente.
Se comenzó desinstalando toda su circuitería para un previo análisis de su
funcionamiento y así ir comparando partes o elementos que se diferenciaran de los otros
bloques para corregir, mejorar e implementar un diseño similar en aquellos que tenían
buen comportamiento.
Se continúa desarrollando el nuevo modelo con diseños circuitales y de software que
permitan su exitoso funcionamiento, dividiéndolos de la siguiente forma:
Primero se desarrolla una tarjeta de control que contiene los microcontroladores
con el software requerido para administrar el comportamiento del sistema
(visualización de información, recepción de comandos, control de motores y
bombillos).
A continuación se desarrolla la tarjeta que soportara los transistores de control
para las pistolas y bobillos indicadores. Estos transistores se encargan de activar y
desactivar estos componentes de alta potencia a partir de pulsos generados por
los microcontroladores, aislando a la vez los componentes de control de baja
potencia de aquellos con alta potencia.
Para activar la apertura o cierre de los motores es recomendable aislar la interfaz
de control de la alimentación de los motores por medio de relevos, debido a que
estos últimos funcionan con altas corrientes que pueden ser perjudiciales para los
elementos de control. A fin de garantizar una instalación que sea sostenible en el
tiempo (es decir, que sea fácil de reparar en caso de averío), se diseña un circuito
que contenga todos los relevos (uno para cada motor) junto con los componentes
necesarios para su correcto uso.
Cada puerta consta de 4 líneas de cable: dos para alimentar las pistolas y dos para el
bombillo indicador. Estas líneas están puestas dentro de la estantería de tal forma que no
permanezcan visibles a los usuarios, y van conectadas a las respectivas interfaces de
control. En el caso de los motores irán conectadas a los relevos que activan su
funcionamiento, y los LEDs irán conectados cada uno a su transistor de activación.
Después de este paso se procede a la construcción física de las tarjetas con sus
respectivos componentes debidamente soldados y probados,y se colocan detrás del panel
de control (un cubículo ubicado en la parte central del bloque).
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Seguidamente se instala la pantalla y teclado en una lamina de aluminio que soporte
dichos elementos, sujetadas por tornillos y pegamento especial de tal forma haya buena
visibilidad y sea de gran facilidad para el usuario el ingreso los dígitos y contraseñas de
los casilleros.
2.1) Diseño de circuitos
2.1.1) Diseño del sistema de control para motores y leds.
Fig. 5: Sistema de control para un motor y un led
AZUL: Interfaz de control compuesta por una serie de dos transistores que al ser
conmutados permiten que el led pueda ser encendido. Esta interfaz se compone de un
transistor NPN de referencia 2N3904, y de una resistencia en su base con un valor de 10
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KΩ. El transistor superior está ubicado en la tarjeta de transistores, mientras que el
inferior se encuentra en la tarjeta principal. El pulso generado para el transistor superior le
llega a otros siete transistores por igual, pero el que determina cual bombillo de los 4
conectados a esos transistores será encendido es el transistor de la parte inferior.
Para que los transistores se comporten en modo de conmutación, este debe ser operado
de tal forma aplicando un voltaje en la base pase de un estado de corte a saturación. Para
garantizar esto se debe conocer la corriente que va a tener el colector y a partir de su beta
mínimo calcular el valor de la resistencia de la base que permita al aplicar un determinado
voltaje circule una corriente mínima necesaria por la base para que el transistor entre en
saturación. En este caso la corriente del colector será la consumida por el led, es decir,
25mA. Según el datasheet del transistor 2N3904 su valor de beta mínimo es de 100 [7],
por lo que con este valor se pueden obtener los valores de corriente y resistencia en la
base necesarios para operar el transistor en modo de conmutación. El procedimiento que
se sigue para diseñar el circuito se basa en el método descrito en [8]:
Transistor 2N3904 con BETA β=100. Corriente del led es Id=25mA.
Ic=Id= 25mA, teniendo en cuenta que el Led está conectado al colector del transistor.
Ib= =0.25mA. -> Corriente de base necesaria para que el transistor entre en
saturación.
5= Rb *IB-Ve.
Al utilizar una resistencia de 10KΩ se comprueba que la corriente en la base es mayor
que la mínima necesaria para poner al transistor en saturación, por lo que se utiliza este
valor que comercialmente es uno de lo más fáciles de conseguir.
= 0.57mA.
NEGRO: Este es el led indicador de bloqueo de casillero se encuentra ubicado detrás de
cada puerta dentro de la manija plástica. La resistencia de 1KΩ permite que los doce
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voltios de la fuente sean reducidos a un voltaje adecuado para alimentar el bombillo. El
cátodo de este led va a al colector de su transistor correspondiente en la tarjeta de
transistores. El led utilizado es un led tradicional de color rojo que tiene un requisito de
alimentación de 2.2 voltios a 25 mA.
NARANJA: Relevo de activación de motor. Por medio de un pulso proveniente del
microcontrolador secundario, permite que el motor sea conectado a su fuente de
alimentación, la cual es direccionada por el relevo naranja o relevo de polarización, por lo
que dicho voltaje variara de polaridad dependiendo del estado en que se encuentre el
relevo de polarización. El relevo utilizado es de 12 VDC para su activación y tiene una
capacidad de conexión 24 voltios DC a 10ª. El diodo colocado en paralelo al relevo
protege a los transistores del sobrevoltaje producido al desconectar la bobina del relevo,
este sobre voltaje se produce cuando la bobina es desconectada y el campo magnético
cae repentinamente haciendo que se produzca un voltaje alto y de corta duración que
pueda dañar los demás componentes. Por lo tanto el diodo permite que parte de la
corriente producida circule por si mismo disminuyendo la probabilidad de daño de los
otros componentes.
VERDE: Interfaz de control compuesta por una serie de dos transistores que al ser
conmutados permiten que el MOTOR pueda ser encendido. Esta interfaz se compone de
un transistor NPN DE REFERENCIA 2N3904, y de una resistencia en su base con un
valor de 10 KΩ. El transistor superior está ubicado en la tarjeta de transistores, mientras
que el inferior se encuentra en la tarjeta principal. El pulso generado para el transistor
superior le llega a otros siete transistores por igual, pero el que determina cual motor de
los 4 conectados a esos transistores será encendido es el transistor de la parte inferior.
ROJO: Circuito de control de apertura o cierre del motor. Por medio de un relevo de 4
entradas conectadas en forma de C y dos salidas, se puede controlar la polaridad de la
fuente con la que se alimenta el motor de bloqueo. Cuando el transistor se encuentra
activado hace que el motor gire de tal forma que el casillero sea bloqueado, mientras que
si se encuentra desactivado el motor gira en sentido contrario haciendo que la puerta se
abra. La activación de este relevo se realiza por medio de un transistor, el cual al llegar un
pulso a su base permite que sea conmutado y hace que se active el relevo. El motor es
colectado a las dos salidas de relevo, por lo que este último alimenta directamente al
motor con la polaridad requerida.
El relevo utilizado debe ser activado con 12V DC y tiene una capacidad de conexión de
30VDC a 1 A [9]. El motor utilizado se activa con un voltaje de 12 VDC y es el mismo
motor utilizado en las cerraduras del sistema de bloqueo automático de los automóviles
[10]. Para controlar la activación del relevo se utiliza un transistor 2N3904 con una
resistencia de 10 KΩ en su base.
2.1.2 ) Circuito principal o de administración.
Pág. 28
Después de tener el esquema de control que debe emplearse para activar la apertura de
un motor y el encendido de un Led de tal forma que puedan ser administrados por los
microcontroladores, se procede a diseñar el circuito que contendrá los 2 módulos PIC
16F877A junto con los conectores necesarios para enviar las señales de control.
Se estipula que en el circuito principal sean incluidos los siguientes componentes
funcionales:
Regulador de voltaje a 5VDC para alimetación de componentes digitales.
Módulo PIC para manejo de claves, pantalla y teclado.
Módulo PIC para control de apertura y cierra de motores, así como para encendido
de bombillos.
Controlador de polaridad para definir el sentido de giro del motor, según si se
requiera abrir un casillero o cerrarlo.
Conjunto de 4 interfaces de control (de las 35 que hay en total) para manejo de
motores.
Conjunto de 4 interfaces de control (de las 35 que hay en total) para manejo de
bombillos.
Filtro pasabajos para eliminar ruido de 60Hz, utilizado como protección de los
dispositivos contra picos de voltaje inesperados.
Conectores para comunicación con pantalla, teclado, motores, bombillos y fuentes.
La forma como se organizan los componentes y la relación que existe entre todos se
ilustra en el diagrama de la figura 6. El circuito principal utiliza los componentes que se
describieron en el diseño del sistema ilustrado en la figura 5, tales como el controlador de
polaridad y las interfaces de control para motores y bombillos.
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Fig. 6: Diagrama de bloques del circuito principal
Los dispositivos electrónicos utilizados para construir el circuito de la tarjeta principal y la
forma como se conectan entre sí, aparecen en el esquema circuital de la figura 7.
4 interfaces de
control para motores
Microcontrolador
administrador de
motores y bombillos
Filtro
pasabajo
s
Conector de
pantalla
Regulador de
5VDC
Fuente de
12Vdc
Controlador
de polaridad
Microcontrolador
administrador de
motores y bombillos
4 interfaces de control
para bombillos
Conector de
teclado
Conector
Co
necto
r
Conector para tarjeta de
transistores (interfaces de control)
Buzzer
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Fig. 7: Diagrama circuital de la tarjeta principal.
Los dispositivos de la figura 7 se encuentran agrupados en distintas áreas como lo
demarcan los recuadros de colores. Estas áreas y dispositivos son:
Recuadro naranja: Área de alimentación. Se compone de una fuente de 12VDC,
un regulador de 5VDC para alimentar los componentes digitales y un capacitor de
2700uF a 25V que actúa como filtro pasabajos, eliminando el ruido de 60Hz
proveniente de la red eléctrica.
Recuadro azul oscuro: Microcontrolador PIC 16F877A. Administra la pantalla
(presentación de información), el teclado (recepción de órdenes), y almacena las
claves que los usuarios colocan a sus casilleros cuando son cerrados.
Recuadro verde: Buzzer. Genera un sonido cada vez que el teclado es presionado
por el usuario.
Recuadro rojo: Controlador de polaridad. Se compone de un relevo de 4 entradas
y 2 salidas, con bobina de 12V y capacidad de alimentación de 110VAC y un
transistor para abrir o cerrar el relevo.
Recuadro morado: Microcontrolador PIC 16F877A. Abre o cierra todos los motores
y enciende los bombillos indicadores según la información que le indique el primer
microcontrolador.
Pág. 31
Recuadro negro: Interfaces de control para los bombillos indicadores. En conjunto
con las otras interfaces para bombillos de la placa de transistores permite
encenderlos o apagarlos. Los colectores de estos transistores van conectados con
los emisores de la placa de transistores.
Recuadro aguamarina: Interfaces de control para motores. En conjunto con las
otras interfaces para motores de la placa de transistores permite abrir o cerrar los
casilleros.
Después de tener la información sobre cómo deben ir conectados todos los dispositivos,
se puede proceder a diseñar el impreso correspondiente al circuito planeado.
En la figura 8 se presenta una representación del circuito principal real, donde se ubican
todos los componentes relacionados en el diagrama circuital en la figura 7.
Fig. 8: Imagen del circuito principal o de administración
1
2
3
4
5
6 7
9
8
10
11
12
13
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1. PIC DE ABAJO: PIC PRINCIPAL Controla la pantalla, el teclado y administra las
claves que son ingresadas por los usuarios.También se encarga decomunicar al otro
microcontrolador si debe abrir o cerrar cierto casillero, así como qué bombillos indicadores
debe encender o apagar. La visualización en pantalla se realiza encendiendo un display a
la vez, a una frecuencia suficientemente alta para que el movimiento no sea detectado por
el ojo humano. El microcontrolador utilizado es un PIC 16F877A.
2. PIC DE ARRIBA: Este microcontrolador es el encargado de la activación de los
motores y de los bombillos indicadores, el cual por medio de la información aportada
desde el microcontrolador principal puede abrir o cerrar un casillero, utilizando el mismo
método con los bombillos indicadores. El microcontrolador principal indica primero el
número del casillero que debe abrir o cerrar y después informa qué acción debe realizar
con ese casillero. Luego de recibir esta información activa el motor respectivo para abrirlo
o cerrarlo, controlando su polaridad a través de un relevo de cuatro entradas y dos
salidas. El microcontrolador utilizado es un PIC 16F877A.
3.RELEVO NARANJA: Posee cuatro entradas y dos salidas las cuales permiten controlar
la polaridad de los motores según sea el sentido que se necesite para su funcionamiento,
es decir, si se debe actuar en modo de bloqueo o cierre o si vi actuar como apertura del
casillero. A las 4 entradas se conecta la fuente de 12V que alimenta los motores, en forma
de “C” para que el relevo al ser activado lleve a sus salidas los 12V de la entrada en
polaridad directa, y al ser desactivado invierta dicha tensión, permitiendo que el motor
pueda ser activado en una dirección u otra. Este relevo es controlado por el micro
controlador principal. La referencia de este relevo es HRS2H-S-DC12V, el cual
corresponde a un relevo con capacidad de 1 A y 120V AC y cuya bobina opera a 12 V
DC.
4. ALIMETACION DE LA TARJETA PRINCIPAL: En este punto se tiene los conectores
donde se empatan o se enganchan los cables del adaptador de 9 voltios DC, son tres
orificios los cuales constan de unos tornillos para fijar fuertemente el cable de dos
terminales, la parte negativa va conecta en el centro del conector y el lado positivo se
conecta en el extremo derecho asumiendo una vista normal por encima de la tarjeta.
5. CONECTOR PANTALLA DE VISUALIZACION :Es un conector de tipo regleta los
cuales se dividen en dos partes cada una de 7 pines, es decir son repartidos superior e
inferiormente en la tarjeta dando una apariencia de formar un solo conector de 14 pines.
En este punto es donde se une el cable tipo bus de datos con la parte de la tarjeta de la
pantalla de visualización.
Los pines de este conector están enumerados del 1 al 14 en sentido izquierda-derecha
empezando por la parte superior. En la tabla 1 se relacionan las funciones de cada pin.
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Pin 1 Base transistor 3
Pin 2 Base transistor 4
Pin 3 Conexión a tierra.
Pin 4 No conectado.
Pin 5 Segmento A display.
pin 6 Segmento B display
pin 7 Segmento C display
Pin 8 Base transistor 2.
Pin 9 Base transistor 1.
Pin 10 No conectado.
Pin 11 Segmento G display.
Pin 12 Segmento F display.
Pin 13 Segmento E display.
Pin 14 Segmento D display.
Tabla 1: Funciones de cada pin para el conector de pantalla visualizadora
6. CONECTOR DEL TECLADO: Es un conector tipo MOLEX conformado por 8 pines el
cual es el encargado de servir como punto de empalme del cable ribbon que llega del
teclado. Este conector va a acompañado de 4 resistencias de 1 KΩ conectadas a las
primeras 4 salidas, teniendo como fin garantizar la correcta recepción de los pulsos
generados por el teclado cuando es presionado excitando la corriente para que llegue
hasta el microcontrolador.
7. CIRCUITO INTEGRADO 7805: Este dispositivo es el encargado de regular y proteger
la alimentación para los microcontroladores, es decir recibe directamente los 9VDC del
adaptador y él se encarga de limitar o reducir el voltaje a 5VDC garantizando lo necesario
para el funcionamiento de todos los demás dispositivos sin correr el riesgo de ir a quemar
o sobre cargar los elementos. [11]
El circuito integrado 7805 (potencia máxima a entregar 7.5W) es el indicado porque
soporta adecuadamente la carga total máxima, es decir cuando todos los casilleros están
activos con una potencia máxima de 2.5 W (cada microcontrolador requiere 250mA a 5 V,
con lo que Potencia=Voltaje*Corriente, P=5V*250mA=2.5W), la cual solo se ve durante
las transiciones de activación y desactivación de las pistolas.
8. CAPACITOR: Es un capacitor electrolítico de 2500 uf a 35 V DC el cual se encarga de
servir como filtro pasabajos para poder limpiar la señal DC de los 60HZ que vienen de la
corriente alterna.
Para seleccionar el valor del capacitor se sigue el procedimiento de diseño para un filtro
pasabajos RC (resistencia-capacitor), según se explica en [12]. Un filtro pasabajos RC se
configura como se indica en la figura 9. En el circuito hay una resistencia y un capacitor
en serie, y la señal de salida se obtiene del voltaje que cae sobre el capacitor. Para
obtener los valores de los dispositivos se escoge un valor para uno de los dos y luego se
calcula el otro, de la siguiente forma:
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Fig. 9: Filtro RC pasabajos.
Teniendo en cuenta que el circuito digital a alimentar funciona con un voltaje de 5VDC, la
resistencia del filtro debe ser seleccionada de 1Ω para que le quite el mínimo de voltaje al
resto del circuito. Con los valores de resistencia y de frecuencia de corte para el filtro
pasabajos (60 Hz) se procede a calcular el valor del capacitor, como sigue:
C = 1 / (2 * π * frecuencia de corte * resistencia)
C = 1 / (2 * π * 60 Hz * 1Ω) = 2652uF
C =3300uF -> Valor comercial más cercano
9. CONECTOR DE CONTROL PARA TRANSISTORES: Debido a que para activar un
motor o prender un led se deben generar dos pulsos simultáneos este conector sirve para
generar el pulso base de activación, el cual irá acompañado por otro pulso
correspondiente al número del casillero que se vaya activar .Este es un conector tipo
MOLEX conformado por 8 pines los cuales se distribuyen en la tarjeta de control por todo
el centro de ella en especial a las bases de todos los transistores.
10. CONECTOR DE CONTROL PARA INTERFACES DE MOTORES: Este conector es
el encargado de generar el segundo pulso para confirmar la activación del motor
requerido por el sistema. Consta de 4 pines y también es un conector tipo MOLEX. Este
conector va acompañado de 4 interfaces de transistores de referencia 2n3904 y 4
resistencias de 1kΩ, permitiendo así utilizar menos puertos para controlar todos los 31
motores en combinación con la interfaz de 8 pines.
11. CONECTOR DE CONTROL PARA INTERFACES DE LEDS: Este conector es el
encargado de generar el segundo pulso para confirmar la activación del led requerido por
el sistema. Consta de 4 pines y también es un conector tipo MOLEX. Este conector va
acompañado de 4 interfaces de transistores de referencia 2n3904 y 4 resistencias de
1kΩ, permitiendo así utilizar menos puertos para controlar todos los 31 leds en
combinación con la interfaz de 8 pines.
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12. BUZZER O PITO: Es el dispositivo que se encarga de emitir un sonido armónico cada
vez que se presiona una tecla o se realiza una acción de mando en el tablero de control
13. CRISTALES PARA OSCILADOR DE MICROCONTROLADOR: Son cristales de
cuarzo que tienen una frecuencia de oscilación de 4 MHZ.
De acuerdo al diagrama de componentes de la figura 8, se diseña el impreso
correspondiente para construir la placa sobre la que deben soldarse los dispositivos. En la
figura 10 se observa el impreso diseñado en el programa Ares – Proteus, junto con todos
los dispositivos requeridos.
Fig. 10: Imagen del diseño pcb de la tarjeta principal.
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Para tener una visión más clara sobre cómo se presentaría el impreso en la vida real, en
la figura 11 se observa una simulación del impreso en tercera dimensión.
Fig. 11: Diseño del impreso tarjeta principal.
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2.1.3) Circuito de control.
En esta tarjeta deben ir todas las interfaces de control para el manejo de cada motor y
cada bombillo indicador, por lo que en total deben haber 31 interfaces para motores, más
31 interfaces para bombillos, para un total de 62 interfaces, cada una compuesta por un
transistor 2N3904 y una resistencia de 10KΩ.
En la figura 12 se muestra la forma como han sido organizadas las interfaces de control
en una tarjeta independiente.
Fig. 12: Circuito de interfaces
de control
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
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En el circuito de la figura 12 se puede ver el arreglo matricial de interfaces de control para
la activación de motores y bombillos indicadores. Las interfaces de la parte superior
corresponden a los motores y las inferiores controlan los bombillos indicadores. En este
diagrama sólo se han incluido 8 de las 31 interfaces que requieren todos los motores,
igualmente para los bombillos, por lo cual se han colocado puntos suspensivos para
indicar que hay 6 hileras interfaces más hacia arriba y 6 hileras más hacia abajo,
completando así todas las 62 interfaces de la tarjeta.
Esta tarjeta posee puntos de conexión que permiten la comunicación con la tarjeta
principal y con los dispositivos que se deben controlar. Dichos puntos han sido indicados
con recuadros de colores a fin de distinguir los distintos elementos que van conectados a
la tarjeta, como se describe a continuación:
Recuadro morado: Conecta los colectores de los transistores con los dispositivos
que se van a activar. Para los transistores superiores, estos puntos van
conectador con los motores de los casilleros, y en los inferiores los puntos van
conectados con los cátodos de los bombillos indicadores.
Recuadro azul: Conecta las bases de los transistores con el conector de 8 pines
del microcontrolador de motores y bombillos, proveniente de la tarjeta principal.
Recuadro naranja: Conecta los emisores de los transistores con las interfaces de
control presentes en la tarjeta principal. Para el caso de los transistores
superiores, estos irán comunicados con las interfaces para motores de la tarjeta
principal, mientras que los inferiores van conectados con las interfaces para
bombillos.
Después de tener el esquema circuital para las interfaces transistorizadas, se procede a
diseñar el impreso correspondiente para soldar los componentes a la placa. En la figura
13 se presenta el diseño de dicho impreso, donde se aprecia una simulación en tercera
dimensión para tener una visión aproximada de la tarjeta cuando se construya en la vida
real.
Pág. 39
Fig. 13: imagen de la tarjeta de control.
15
5
16
23
24
31
9
1
8
1
8
9
15
5
16
23
24
31
MOTORES
LEDS
Pág. 40
En esta tarjeta se pueden apreciar dos grupos de transistores, los de la parte superior
están dedicados al control y activación de las pistolas electrónicas como su orden lo
indica. Los transistores de la parte inferior al control de los bombillos indicadores tal como
su formación lo indica. Los círculos indican la secuencia de los casilleros a los que
pertenece cada interfaz.
LOS OCHO ORIFICIOS VERTICALES QUE ESTAN EN EL CENTRO LA TARJETA:
Estos puntos son los encargados de recibir el cable de control que viene de la tarjeta
principal los cuales van a dar el pulso base para la activación del casillero
correspondiente, este conector esta descrito en el punto 9 de la tarjeta anterior y los
orificios están delineados por un rectángulo blanco.
LOS 4 ORIFICIOS SUPERIORES DE LA MITAD: En este punto se encuentra la zona
donde debe de ir conectado el cable que sale de la tarjeta principal para generar el
segundo pulso de confirmación que junto con el primero active o desactive el motor
correspondiente. Están delineados con un rectángulo amarillo
LOS 4 ORIFICIOS INFERIORES DE LA MITAD: Estos orificios son destinados para el
conector que viene de la tarjeta principal para generar el segundo pulso de confirmación
que junto con el primero active o desactive el bombillo indicador correspondiente. Están
delineados con un rectángulo azul en la imagen de la tarjeta.
LOS ORIFICIOS DE SALIDA DE LOS TRASISTORES: Son orificios que vienen de los
transistores de cada colector y van conectados en el caso de los transistores superiores a
los relevos que activan los motores y en el caso inferior van a los cátodos de los
bombillos indicadores. Estos orificios se aprecian en la imagen en los rectángulos de
color rojo.
En la figura 14 se presenta la forma como se conectan los dispositivos en el impreso.
Pág. 41
Fig. 14: Imagen diseño PCB de la tarjeta de control
Pág. 42
En la figura 15 se aprecian mejor las pistas que conectan todos los dispositivos, es decir,
la cara inferior de la tarjeta de transistores.
Fig. 15: Diseño impreso tarjeta control.
Pág. 43
2.1.4) Circuito de interfaces de potencia.
En esta tarjeta se organizan todos los dispositivos que permiten activar los motores a
partir de señales de control provenientes de los microcontroladores, sin que estos resulten
afectados por las altas corrientes con que funcionan los motores. Para cumplir este
objetivo se utilizan relevos mecánicos, que a partir de su combinación con las interfaces
de control permiten que los motores de 12VDC puedan ser activados con pulsos de 5V
generados por los microcontroladores. Las bobinas de los relevos están conectadas a las
interfaces transistorizadas y a la fuente de 12VDC, por lo que si una interfaz es activada
conectará la bobina a tierra para que el relevo se cierre. También se incluye un diodo que
se conecta de forma inversa entre la fuente y tierra, protegiendo a los otros dispositivos
del breve alto voltaje producido por la bobina cuando es desconectada de la fuente [13].
En la figura 16 se presenta la forma como han sido organizadas las interfaces de
potencia, conformadas por relevos y diodos en una tarjeta independiente.
Fig. 16: Circuito de interfaces de potencia.
.
.
.
.
.
.
Pág. 44
El circuito de interfaces de potencia presentado en la figura 16 presenta 8 de las 31
interfaces, por lo que han sido puestos puntos suspensivos para indicar que hay 3 hileras
más de interfaces hacia arriba y 3 hileras más hacia abajo, para completar 8 hileras y por
ende todas las 31 interfaces requeridas para controlar todos los motores. La tarjeta
también posee conectores que permiten comunicar a la tarjeta con los dispositivos que
van a ser controlados, y sus descripciones se relacionan a continuación:
Recuadro azul: En el pin superior de este recuadro va conectado el motor a
controlar, mientras que el pin inferior va conectado a una de las salidas del
controlador de polarización (relevo naranja) presente en la tarjeta principal.
Recuadro naranja: Estos pines conectan las bobinas de los relevos con las
interfaces de control de la tarjeta de transistores, para que al activar una interfaz la
bobina sea conectada a tierra y por ende el relevo sea cerrado, activando así el
motor correspondiente.
Después de tener organizada la forma como se interconectan estas interfaces, se procede
a diseñar el impreso de la tarjeta donde se soldarán todos los componentes. En la figura
17 se muestra el diseño del impreso realizado para esta tarjeta, representado en modo de
tercera dimensión para tener una visión clara de cómo se ve la misma cuando es
construida en la vida real.
Pág. 45
Fig. 17: Imagen tarjeta interfaz de potencia.
Losrelevos de activación están representados por un círculo azul ordenados de la forma
como se muestra en la imagen y donde a cada casillero le corresponde un relevo.
CONECTORES TIPO BORNERAS DE 8 PINES: Son los que reciben el pulso de
activación de la tarjeta control de los transistores los cuales harán que el relevo sea active
su switch dando paso a la corriente que alimenta el motor. Estos conectores estos
representados por el rombo de color rojo que se muestra en la imagen.
1
8
9
16
1j
df
16
16
17
24
25
31
Pág. 46
CONECTORES TIPO BORNERAS DE 2 PINES: Reciben el voltaje de alimentación
según la polaridad que indique el relevo amarillo de la tarjeta principal, permitiendo que el
motor gire en un sentido u otro según se requiera. Estos conectores se describen en la
imagen mediante un rectángulo amarillo el cual encierra todos los de este tipo.
ALIMETACION DE LOS RELEVOS: este punto recibe el voltaje necesario para que los
relevos se puedan activar cuando sea recibido un pulso de control. Esta entrada esta
demarcada por una cruz la cual muestra el punto donde llega el cable de alimentación
para este fin.
En la figura 18 se presenta en diseño PCB realizado en el software Ares – Proteus
correspondiente a esta tarjeta, junto con todos los componentes (relevos, diodos y
conectores) y las pistas que los interconectan entre sí.
Pág. 47
Fig. 18: Diseño PCB de tarjeta de interfaz de potencia.
En la figura 19 se muestra el diseño de las pistas que interconectan a todos los
elementos, es decir la forma cómo se aprecia la cara inferior de la tarjeta en la vida real.
Pág. 48
Fig. 19: Imagen del impreso de la tarjeta interfaz de potencia.
Pág. 49
2.1.5) Tarjeta para pantalla de displays.
La pantalla donde se presenta la información del estado del sistema se construye sobre
una placa independiente, en la cual se incluyen los displays (dispositivos de visualización
numérica) y las interfaces de control para cada uno.
Se ha dispuesto que para la pantalla se utilicen displays 7 segmentos cátodo común, para
que el microcontrolador active cada Led enviando un pulso de 5V (activos en alto). Para
controlar el encendido de cada display se incluyen transistores NPN 2N3904, los cuales al
ser activados conectan los displays a tierra para encenderlos. De esta forma pueden
utilizarse los mismos 7 segmentos para todos y ahorrar puertos en el microcontrolador, en
vez de controlar cada display independientemente. En la figura 20 se presenta la forma
como han sido conectados los componentes de esta tarjeta.
Fig. 20: Esquema circuital de la pantalla.
Después de tener las conexiones entre los componentes de la tarjeta, se procede a
diseñar el impreso correspondiente sobre el que van soldados todos los componentes. En
la figura 21 se muestra el diseño de dicho impreso representado en tercera dimensión
para ver de manera más clara la forma como se observará cuando se construya en la vida
real.
Pág. 50
Fig. 21: Imagen de tarjeta de los displays.
1. PANTALLA DE CUATRO DISPLAYS 7 SEGMENTOS CATODO COMUN: Aquí va a
mostrarse la información que requiere el usuario para facilitar el uso del sistema.
2. TRANSISTORES DE CONTROL 2N3904: Son los encargados de activar o desactivar
cada display por medio de la conmutación de la alimentación según se lo ordene el
microcontrolador principal. Esta interfaz permite ahorrar puertos en el microcontrolador
gracias a que se comparten los mismos 8 pines de datos entre todos los displays. A esta
configuración se le llama visualización dinámica, y consiste encender un display a la vez a
una frecuencia de barrido lo suficientemente alta como para que el ojo humano perciba
que todos los displays están encendidos al mismo tiempo.
3. CONECTOR DE 14 PINES TIPO REGLETA: Este conector va conectado a la tarjeta
principal y por este se envían los datos que se deben mostrar en pantalla por medio de
pulsos de activación tanto para los leds de cada display como para la conmutación dela
alimentación en cada uno.
1
2
3
Pág. 51
En la figura 22 se presenta el diseño PCB realizado en el software Ares – Proteus para la
tarjeta de pantalla, junto con todos los componentes y las pistas que los interconectan
entre sí.
Fig. 22: Diseño PCB tarjeta de pantalla
Pág. 52
En la figura 23 se observa la parte trasera de la tarjeta, mostrando las pistas del circuito
en tercera dimensión para tener una visión de cómo se apreciarán en la vida real.
Fig. 23: Imagen impreso de la pantalla
2.2 ) Diagrama de flujo para software de control de los casilleros:
El siguiente diagrama ilustra todo el proceso que sigue el programa para controlar la
apertura o cierre de un casillero a partir de las órdenes ingresadas por un usuario.
Contiene los métodos para recibir los pulsos del teclado (órdenes), el almacenamiento de
claves, la comparación de una clave ingresada con una ya guardada, la apertura o cierre
de un casillero y la visualización del estado del sistema en una pantalla.
Pág. 53
Sí No
Se ingresó un
número de
casillero y se
presionó A o *
No Sí No
Sí
Pág. 54
Sí
No
Sí
No
Sí
No
Sí
No
Sí
No
Sí
No
Sí
No
Sí
No
Pág. 55
Sí
No
Sí
No
Sí
No
Sí
No
Sí
No Sí
Sí
Pág. 56
RUTINA PARA
CUANDO SE
PRESIONA LA
TECLA
CANCELAR
‘’ C’’ EN EL
TECLADO
MATRICIAL.
Sí
No
Pág. 57
RUTI NA
PARA
CUANDO SE
PRESIONA
LA TECLA
DE BORRAR
‘’B’’ EN EL
TECLADO
MATRICiAL
Sí
No
Sí
No
Sí
No
Pág. 58
3. ANALISIS DE RESULTADOS
3.1 Evaluación y muestra de las reparaciones físicas.
3.1.1) Identificación de cableado.
Fig. 24: Cableado inicial de los casilleros.
Antes de empezar a reparar los casilleros se decidió hacer un análisis previo de toda la
trama de cables que compone el sistema en general, permitiéndonos determinar las áreas
que estaban obstruyendo el mecanismo de su comportamiento funcional y afectando la
eficiencia de cada uno de los motores y leds que tienen los casilleros. Como cada
casillero consta de un cable telefónico de 4 hilos que va desde las puertas hasta las
tarjetas de control, se hacía ciertamente complejo el hecho de determinar a qué casillero
pertenecía cada conjunto de cables. Mediante un proceso riguroso de ensayo y error se
logró la identificación clasificación de cada cable, permitiendo así realizar un diagnostico
general de aquellas pistolas y motores que estuvieran en mal estado.
Pág. 59
Se marcó cada conjunto de cables con su casillero correspondiente y de esta manera se
dio un orden y secuencia a una serie de actividades que nos permitieron una clara
restauración de todo el sistema.
En el circulo negro que se encierra en la figura 24 se muestra que es el cable o el
conjunto de cables (4 hilos) pertenecientes al casillero número 13, del bloque de los
casilleros de color rojo.
3.1.2) Organización y ajuste de las puertas de los casilleros.
Fig. 25: Cableado en mal estado de las puertas de los casilleros.
Cada puerta está compuesta por un motor y un led o bombillo indicador para la activación,
y desactivación de estos componentes se requiere de un cableado en óptimas
condiciones para garantizar un correcto funcionamiento. Esta y otras instalaciones
eléctricas de las puertas también se encontraban en mal estado, traduciéndose en un
funcionamiento anormal de cada cubículo o cajón.
Pág. 60
Se reacomodaron todas las líneas, se enfundaron correctamente y se verificó que la
soldadura en cada uno de los puntos de conexión con los dispositivos estuviera en
condiciones favorables y las que no se procedió a su cambio y a un nuevo proceso de
soldado, después de chequear todos estos aspectos se taparon bien todos los cables y se
les dio un lugar de tal forma que no tuvieran contacto con el usuario y a zonas exteriores
que por desgaste o maniobras mal realizadas con los cierres dañen o perjudiquen el
funcionamiento.
Fig. 26: Puertas restauradas con todo su conjunto de cables.
En la figura 26 se muestra cómo las puertas lucen después de haber organizado todo el
cableado y los dispositivos electrónicos que llevan en su interior. Las pistolas que en su
gran mayoría ocupan gran espacio de la cubierta trasera se ven en algunos casos
comprometiendo los cables y en su gran parte el correcto cierre de las puertas, ya que los
cables al quedar mal distribuidos impedían el proceso de accionado de las pistolas; con
esto se logró garantizar que cada puerta recuperara su funcionamiento normal. Cabe
destacar que las puertas cuentan con una manija plástica en la parte delantera, y en su
extremo inferior se aloja el bombillo indicador o led el cual es el que le permite al usuario
poder identificar si un casillero está bloqueado o no.
Pág. 61
Estos bombillos permanecían desajustados o fuera de la manija dando la impresión que
estaban dañados, cuando en realidad a la hora de destapar y revisar el contorno de la
puerta se pudo comprobar que solamente estaban desajustados o fuera de su lugar, por
lo que no era posible ver al bombillo encenderse. De esta manera se lograron reparar
varios bombillos, sin necesidad de cambiar o reparar conexiones dándonos un mayor
tiempo de agilidad y prontitud para poder solucionar todo el sistema.
Fig. 27: Accionamiento mecánico de las pistolas de bloqueo.
En la figura 27 se muestra el accionamiento mecánico de las pistolas, el cual juega un
papel de gran importancia para poder brindar una apertura y cierre confiables. Cabe
destacar que en las reparaciones electrónicas siempre se tuvo que hacer un trabajo de
campo en cuanto a las partes físicas que componen el sistema, ya que en su gran
mayoría presentaban inconvenientes que debían ser reparados en el lugar. Uno de estos
era que el seguro que se ilustra en el recuadro rojo de la figura 27 se atascaba
imposibilitando el cierre del casillero, con lo cual se optó por desajustar todo este conjunto
de piezas y comenzar armar de nuevo el sistema de tal manera que al limpiar a y al
modificar esta sección se diera solución a gran parte de los problemas de los casilleros.
Pág. 62
Inicialmente se creía que la mayoría que presentaban este problema se debía a
cuestiones electrónicas o neumáticas de las pistolas, pero luego de una minuciosa
observación se determinó que los cerrojos o seguros estaban obstruidos por las latas y
los agujeros por donde se desliza, así que se decidió incrementar el tamaño de dichos
orificios posibilitando la solución a estos inconvenientes mecánicos que hacían pensar
que el daño era irreparable. El sistema que conforman a estas pistolas es muy similar al
que se utilizan en las instalaciones de bloqueo para los automóviles guardando siempre el
rendimiento y las condiciones de eficiencia para desempeñar su trabajo.
Fig. 28 Pistolas en mala posición.
Las pistolas presentan una organización específica dentro de cada puerta, por tal razón
se hace necesario que su ubicación y ajuste siempre esté en forma correcta para poder
ser accionadas sin tener la preocupación de que se obstruyan. Cuando se iniciaron las
labores de reparación se encontró que algunas pistolas estaban sin asegurar y sin su
tornillería, por eso se procedió a conseguir sus correspondientes tornillos y asegurar su
adecuada postura, esto representaba algunas fallas considerables para el sistema por
que se tenían varios casilleros con letreros de fuera de servicio cuando en realidad solo
eran problemas de ajuste. Es de anotar que no siempre se generalizaba este problema,
eran casos excepcionales pero que podrían ser reparados para brindar el servicio a un
mayor número de usuarios.
Pág. 63
El continuo uso de esos cubículos tiende a presentar desajuste y daños que con el tiempo
si no se revisan pueden causar la falla total. A pesar de no hacer mantenimiento
permanente estas pistolas suelen ser resistentes, pero si no se realiza el correcto uso es
probable que la vida útil de estos casilleros se acorte y más aun cuando no se tiene una
cultura de uso respetuosa.
3.2 Diseño de nuevas tarjetas y reducción de las tarjetas originales.
Fig. 29: Tarjetas de activación de las pistolas una por cada casillero.
Inicialmente los casilleros tenían una tarjeta activación en cada puerta; estas estaban
compuestas por un relevo de 12 VDC, un diodo de 2A y una regleta de conectores para
cada cable proveniente del control principal. También distribuye la energía tanto para
alimentar la pistola como para encender el bombillo indicador o led.
Como primera medida se logro diseñar una tarjeta que permitiera la reubicación de todos
estos relevos en una sola tarjeta para solucionar los siguientes inconvenientes.
El problema de corriente que se presentaba debido a los largos tramos de cables
que se requerían para poder alimentar estas tarjetas una a una en cada casillero.
El aislamiento que presentaban con las láminas de la puerta era casi nulo, lo que
generaría problemas de cortos debidos al rozamiento que presentaban el cobre de
las tarjetas con dichas láminas.
Pág. 64
Al tener el circuito de potencia en cada puerta acarrea problemas con el cableado
debido a la apertura y cierre constantes de las puertas, ocasionando desajustes y
posibles despegues de los cables a la tarjeta.
Fig. 30: Nueva tarjeta de interfaz potencia implementada.
La tarjeta de la figura 30 es el resultado del nuevo diseño que se implementó para los
casilleros las 4 columnas de relevos que representan uno por cada casillero con sus dos
regletas de conexión, cada uno con 2 puntos. Este nuevo diseño permite corregir varios
de los problemas anteriormente mencionados en la Fig. 29. El diseño de esta tarjeta tiene
unas dimensiones de 25 cm de ancho por 30 cm de largo, también por cada columna de 8
relevos hay una regleta o conectores tipo bornera de 8 pines los cuales están diseñados
para recibir los pulsos de control de cada relevo, y al frente de cada relevo hay dos
conectores de este mismo tipo con la función de direccionar el sentido de la polaridad de
las fuentes ya sea para apertura o cierre de los casilleros. Hay un punto o cable en la
imagen señalado por el rombo que se encarga de repartir alimentación necesaria para
todos los relevos de esta tarjeta. Al tener cerca a esta alimentación se reduce el número
de cables entre cada puerta y los circuitos principales.
Pág. 65
Fig. 31: Tarjeta de interfaces de control lado izquierdo, tarjeta principal lado
derecho.
Este es el resultado de las tarjetas circuitales internas que se implementaron con los
casilleros amarillos y azules. En la parte izquierda están todos los transistores de la tarjeta
de interfaces de control, en la parte derecha está la tarjeta de control principal la cual lleva
incluida los microcontroladores que hacen posible la administración y uso de los
casilleros.
Todos y cada uno de los dispositivos empleados en las tarjetas son nuevos, es decir
ninguno de los componentes o dispositivos que tenían las tarjetas anteriores fueron
reutilizados, esto con el fin de corregir cualquier problema originado por un dispositivo en
mal estado.
Pág. 66
3.3 Implementación de fuentes independientes para mejorar la eficiencia.
Fig. 32: fuentes de alimentación lado izquierda para tarjeta principal lado derecho
para motores o pistolas.
Un gran problema que se tenía en los casilleros amarillos y azules era que trabajaban con
una sola fuente de voltaje, es decir, la misma fuente alimentaba las tarjetas de control y
los dispositivos de cada casillero; incluyendo pistolas y leds. Como era de esperar, la
fuente no suministraba la corriente necesaria que demandaba todo el sistema, por eso se
tomó la decisión de complementar el funcionamiento con una fuente alternativa que
estuviera dedicada a las pistolas y leds (fuente del lado derecho en la figura 32) y otra
que solamente cumpliera la tarea de alimentar las tarjetas de control y principal.
Con esta solución evitamos el reinicio frecuente al cual se exponían estos casilleros
cuando presentaban una alta demanda de uso, mejorando también la intensidad y el brillo
con el cual los leds indicadores funcionaban y permitiendo tener una mayor distinción en
cuanto se refiere al estado del casillero (si se encontraba bloqueado o no). También se
mejoró la activación de las pistolas que realizaban un cierre correcto pero al momento de
abrir no era suficiente la potencia que se le estaba enviando, ocasionando en algunos
casos el bloqueo del casillero.
Pág. 67
3.4 Funcionamiento de los casilleros.
Fig. 33 Proceso de cierre de un casillero con el nuevo sistema.
En la imagen de la figura 33 se muestra el proceso de un cerrado normal para el casillero
número 2 del bloque de los casilleros amarillos. El objetivo es ilustrar la forma como
operan los tres bancos de casilleros a los que se realizó la reparación, es decir, tanto para
los casilleros azules como para los casilleros rojos:
1. Inicialmente se visualiza la pantalla en 0, en este paso se realiza la digitación del
numero del casillero que se ha escogido y enseguida se muestra en la pantalla de
visualización.
2. Después de haber digitado el número del casillero y de haber presionado aceptar
(tecla A) se despliegan unas barras en la mitad de los displays, indicando que es
momento de ingresar la contraseña.
3. Cada vez que se digita un numero de la contraseña se apagan los segmentos de
la mitad y se van encendiendo los segmentos inferiores de cada display. Al
2
1 3
4
Pág. 68
terminar la digitación de los 4 números lucen todos los segmentos inferiores
encendidos.
4. Para finalizar se presiona otra vez la tecla aceptar y de inmediato se despliega el
seguro o la barra del casillero para efectuar su cierre, tal y como lo señala la flecha
de color naranja en la figura 33. También se enciende el led o bombillo
correspondiente permitiéndole al usuario tener plena seguridad de que su bloqueo
ha sido correcto.
3.5 ) Materiales utilizados para el proyecto.
A continuación se relacionan los materiales que fueron utilizados para construir todo el
sistema de la forma como se ha relatado a lo largo del informe, incluyendo el motivo de
compra para cada uno y los costos unitarios y totales.
Material Cantidad Valor unitario ($) Valor total ($) Motivo de compra
Programador
Pickit 3 1 230000 230000
Programar el
microcontrolador con
el programa de
administración
Soldadura 15 metros 1000 15000
Unir los dispositivos
electrónicos a las
tarjetas circuitales
Resistencias 60 100 6000
Limitar voltajes y
corrientes en
distintas partes de
los circuitos,
polarizar los
transistores de
control
LEDs 40 200 8000
Indicar qué casilleros
se encuentran en
uso
Bases para
integrado de 40
pines
4 500 2000
Base para colocar
los
microcontroladores
sobre la tarjeta
circuital
Microcontrolador
16f877a 8 9400 75200
Elemento en el que
se almacena el
software de control
del sistema.
Displays 7
segmentos 12 1000 12000
Para la pantalla del
sistema
Pág. 69
Cristales 4MHz 4 1000 4000
Brinda la frecuencia
de trabajo requerida
por el
microcontrolador
Reguladores
LM7805 4 1000 4000
Modifica el voltaje de
12V de la fuente a
5V para alimentar los
dispositivos digitales
Teclado matricial 2 15000 30000 Permite ingresar las
órdenes al sistema
Conectores
(regletas) 62 1250 77500
Fijan los cables que
conectan a las
tarjetas entre sí
Cable UTP con
centro de silicona 30 metros 2500 75000
Conecta todas las
tarjetas entre sí
Baquelas
pequeñas 2 15000 30000
Base para el impreso
de la pantalla
Baquelas
medianas 4 40000 160000
Base para el impreso
de la tarjeta principal
Baquela grande 2 120000 60000
Base para el impreso
de la tarjeta de
relevos
Condensadores
15pF 8 200 1600
Para eliminar ruidos
provenientes del
oscilador de 4MHz
Brocas 1 15000 15000
Para atornillar las
tarjetas sobre la
lámina
Cinta de
enmascarar 3 2500 7500
Permite aislar partes
de cobre sueltas
Tabla de madera 2 2500 5000
Sirve de base para
colocar todas las
tarjetas circuitales,
en vez de ponerlas
directamente sobre
la lámina
Adaptador de 12V 4 27500 110000
Fuentes de voltaje
para suplir de
energía a todo el
sistema
TOTAL: 972600
Tabla 2: Materiales utilizados para el desarrollo del proyecto
Pág. 70
4. CONCLUSIONES:
El uso de circuitos integrados programables tales como microcontroladores,
FPGA, microprocesadores, entre otros permite crear sistemas de administración
complejos sin que se requiera muchos recursos electrónicos, por lo que ha sido un
elemento útil en el desarrollo del sistema realizado en este proyecto ya que nos ha
permitido ahorrar costos en materiales alternativos a la vez que se integran todos
los elementos utilizados en un pequeño espacio dentro de la estructura que
soporta el sistema.
Gracias al uso de interfaces adecuadas de potencia, en este caso el uso de
relevos mecánicos, se pueden administrar elementos que requieran de altos
voltajes y corrientes para funcionar de tal forma que la integridad de los delicados
elementos que los controlan no se vea afectada.
Teniendo en cuenta que la cantidad de cubículos a administrar es grande y que el
numero de puertos de puertos contenidos en los microcontroladores no da abasto
para manejar elementos como la pantalla, el teclado, las 32 pistolas o motores y
los 31 bombillos indicadores, se debe hacer uso de una arreglo matricial de
interfaces transistorizadas, de tal forma que por medio de un arreglo de 4*8
interfaces para controlar los motores y otro arreglo de 4*8 interfaces para
controlar los bombillos se reduzca el uso de 62 conexiones a solamente 16 .
El trabajo realizado con el análisis riguroso de la circuitería implementada en los
primeros diseños, dado que cada puerta de cada casillero constaba de una tarjeta
de 5*5 cm , hacia que el cableado y el costo del sistema fuera de más elevado por
eso se pensó en una solución que reduciría la implementación de estas tarjetas y
se opto por reunir todos los componentes en una sola tarjeta integrando cada
aspecto electrónico en una forma de espacio más eficiente y organizada.
Garantizando un funcionamiento correcto y con la ventaja de haber simplificado el
diseño que se tenía antes.
Un problema observado en los módulos que se repararon fueron las
características de alimentación que presentaban ya que solo constaban con una
sola fuente para todo el sistema, es decir tanto para las pistolas como para toda la
circuitería con esto se determino que la corriente entregada por la fuente no era
suficiente para suplir la carga total del sistema dando como resultado el reinicio
frecuente de los casilleros inhabilitando en algunos caso el uso del mismo debido
a ineficiencia de su alimentación. Al determinar esta falla se decidió que era
Pág. 71
necesario otra fuente complementaria a la existente para resolver el problema de
corriente que se tenía.
Con las reparaciones y ajustes implementados de la manera planteada en este
proyecto se ha conseguido corregir los problemas que presentaban los casilleros,
pero también cabe destacar que es posible construir sistemas alternativos de a
partir de un nuevo diseño estructural. Por lo tanto, el sistema implementado en
este proyecto está restringido por la estructura externa que fue reutilizada para
cumplir con los requisitos de tiempo y presupuesto de la Universidad, obteniendo
un diseño circuital con comportamiento similar al que tenían anteriormente.
Entre las alternativas que pueden ser utilizadas para la solución del problema de
este proyecto, se encuentran el reemplazo del microcontrolador por otros
dispositivos de procesamiento y administración tales como CPLD, FPGA y GAL.
Las ventajas que presenta el microcontrolador sobre estos otros dispositivos son
su menor tiempo de desarrollo con posibilidad de programación a múltiples
lenguajes, amplio soporte con extensa documentación y drivers prediseñados para
control de gran cantidad de dispositivos electrónicos, así como sus bajos costos en
relación a las otras plataformas.
5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
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ed.). Newnes. pp. 11–12.
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http://www.parallax.com/Portals/0/Downloads/docs/prod/hardware/27899-
4x4matrixmembranekeypad-v1.2.pdf
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http://www.wayjun.com/Datasheet/Led/Segment%20Digit%20LED%20Display.pdf
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Construcción. Disponible en: http://www.construmatica.com/construpedia/Toma_de_Tierra
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http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/fairchild/2N3904.pdf
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Temuco - Chile. Disponible en:
http://146.83.206.1/~jhuircan/PDF_ELECTRONICA/T02aH.pdf.
[9] Relay de 12Vdc con 4 entradas y 2 salidas HRS2H Datasheet. HKE Semiconductor.
Consultado el 5 de Diciembre de 2012. Disponible en:
http://www.sigmaelectronica.net/manuals/HRS2H.pdf.
[10] Bloqueo central. Sistema motor – eléctrico universal adaptable a cualquier tipo de
vehículo. OEM Car Accesories. Disponible en:
http://www.nemesisla.com/OEM/bloqueo.html
[11] Regulador de 5Vdc L78S05 Datasheet. STMicroelectronics. Consultado el 5 de
Diciembre de 2012. Disponible en:
http://www.sigmaelectronica.net/manuals/L78Sxx%20STMicroelectronics.pdf
[12] Los filtros pasivos de primer orden. Salgado Benito, Javier, Institución de Educación
Secundaria María Moliner, Segovia – España. Disponible en: http://ele-
mariamoliner.dyndns.org/~jsalgado/analogica/6CA-filtros.pdf.
[13] El Diodo. José Luis Lombardero Piñeiro, I.E.S. Santa Eugenia – Madrid, España.
Disponible en: http://roble.pntic.mec.es/jlop0164/archivos/diodo.pdf
[14] 74LS138: 1-of-8 Decoder Demultiplexer. Fig. A, Pág. 5-2. Motorola Corp. Disponible
en: http://ecee.colorado.edu/~mcclurel/sn74ls138rev5.pdf
6. ANEXOS
Dentro del CD (Anexo) del proyecto se incluyen todos los archivos que se utilizaron
para construir las los impresos, los códigos de cada microcontrolador y las
simulaciones correspondientes con las que se comprobó el funcionamiento del
programa.
Los archivos adjuntos están clasificados de la siguiente manera :
1-Archivos de los programas de los microcontroladores;
1.1 casilleros.c: programa diseñado en lenguaje C que corresponde al micro
controlador principal.
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1.2 casilleros.mcp: archivo principal que contiene información del proyecto creado
para el diseño del programa, y donde se almacenan las configuraciones como
el tipo de microcontrolador utilizado, los archivos pertenecientes al proyecto,
entre otros.
1.3 casilleros2.C: contiene el código en lenguaje C correspondiente al
microcontrolador secundario.
1.4 casilleros2.mcp: archivo principal que contiene información del proyecto
creado para el diseño del programa, y donde se almacenan las
configuraciones como el tipo de microcontrolador utilizado, los archivos
pertenecientes al proyecto, entre otros
2-Archivos de simulaciones:
2.1 diseño_veloz.DSN. contiene las simulaciones de todos los componentes del
sistema para comprobar el correcto funcionamiento del mismo antes de su
implementación .
3- Archivos impresos.
3.1 impreso_principal.lyt: corresponde al impreso diseñado de la tarjeta principal,
desde la que administrara todas las acciones del sistema.
3.2 impreso_ transistores: corresponde al impreso diseñado para el circuito de
interfaces transistorizadas.
3.3 impreso _ relays : corresponde al impreso diseñado para el circuito de
interfaces de potencia que controlaran todos los motores y los bombillos
indicadores.
3.4 DISPLAY_ARES: corresponde al impreso diseñado para la pantalla que va
ubicado en el panel de control.
4- Manual de Usuario: Se encuentra en el archivo
