INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA “SISTEMA PARA CERRADURA ELECTROMAGNÉTICA UTILIZANDO MODULO BLUETOOTH” TÉSIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA. PRESENTAN C.ISIS MARIA GUTIERREZ REYNA C. VICTORIA GUADALUPE SERRANO RIVERA ASESOR: PROF. SANCHEZ RAMOS MAURICIO DARIO MÉXICO D.F. FEBRERO DE 2016 TEMA SISTEMA PARA CERRADURA ELECTROMAGNÉTICA UTILIZANDO MODULO BLUETOOTH JUSTIFICACIÓN Existen algunas unidades habitacionales que se encuentran en calles cerradas o privadas, las cuales comparten una puerta como acceso; debido a esto con el paso del tiempo se deteriora y/o oxidan las chapas de las cerraduras y por tanto, al intentar acceder los usuarios se encuentran con algunas complicaciones e inclusive en ocasiones es imposible abrir la puerta. La empresa “ANTEC” presenta un problema similar, ya que es una empresa dedicada a la reparación de máquinas y/o aparatos electrónicos. Al introducir los equipos a reparar resulta complicado abrir la puerta. Aunado a esto la empresa tiene varias puertas, resultando caótico encontrar la llave correcta para cada puerta. Mediante la implementación del “Sistema para Cerradura Electromagnética utilizando interfaz Bluetooth” se soluciona el problema de la empresa “ANTEC” y la problemática de las unidades habitacionales ya que dejará de existir la necesidad de una chapa y de una llave convencional, además servirá no solo para abrir una sola puerta, sino, varias, haciendo así el uso de una sola llave, y en dado caso de que la cerradura electromagnética llegara a fallar, se podría cambiar sin tener que cambiar el sistema que servirá como llave. Con esta implementación se logra disminuir el gasto que se tendría que hacer en comprar continuamente reposiciones de las llaves, reparar la cerradura o comprar una nueva. OBJETIVO Diseñar y construir un sistema electrónico, utilizando la interfaz bluetooth, que permita abrir y cerrar una o varias puertas con cerradura electromagnética, por medio de un teléfono celular. AGRADECIMIENTOS. Agradezco a mi familia por su paciencia, así como por su inmenso cariño y apoyo que me han brindado todos estos años, gracias por sus enseñanzas, por estar siempre a mi lado. Agradezco también a mi asesor de tesis el Ing. Mauricio Darío así como al Ing. Roberto Baca por habernos brindado la oportunidad de recurrir a su capacidad y conocimiento científico, así como por su paciencia, su tiempo, su dedicación y su entrega a este proyecto. Gracias amigos y amigas, gracias David, Victoria, César, Daniel, Mayra, Natividad, por confiar en mí, gracias por sus palabras de ánimo, por su paciencia, por sus enseñanzas, gracias por su amistad. Gutiérrez Reyna Isis María A mis tres grandes pilares de vida, mi madre, tía y abuela; mis mas grandes tesoros, que son mi fuente de apoyo constante e incondicional porque gracias a ellas no desistí de llegar hasta el final de mi carrera profesional, porque creyeron en mi incluso cuando yo deje de hacerlo, porque a lo largo de mi vida me enseñaron a ser fuerte y tener fe, porque gracias a ellas nunca me falto nada y no me sentí sola, por su cariño y apoyo económico. A mi madre por ser mi amiga y guía, por estar siempre conmigo, al frente y al centro. A mi abuela porque fue una gran abuelita, madre y amiga, porque siempre tuvo las palabras correctas en el momento exacto, porque con su cariño y amor me brindaba la total seguridad de que no podía fracasar. Porque en momentos difíciles estuvo ahí para mí ayudándome a verle ese brillo a la vida. Y lo más importante, porque ahora se convirtió en mi ángel. A mi tíos Carlos y Roberto por ser como esa figura paterna que me apoyaron y alentaron, que me brindaron su cariño, atención, paciencia y que siempre tuvieron para mí un abrazo cuando más lo necesitaba. Por todas las ocasiones que me ayudaron a terminar con tareas o proyectos complicados. A mi tía Cristina por su apoyo económico, porque siempre se preocupa por brindarme su apoyo y palabras de ánimo, por su inmenso cariño y paciencia. A mi familia por el cariño, atención, por sus palabras de motivación y apoyo, porque me brindaron su hogar y atenciones. A mis amigas y amigos que siempre tuvieron para mí un abrazo, una sonrisa, una palabra de aliento, por su amistad, por el tiempo que me brindaron, por todos aquellos momentos divertidos, pero en especial por no alejarse en mis momentos difíciles; en especial quisiera agradecerles a David e Isis porque sin su apoyo esta tesis no hubiera sido posible; a Fabiola, Cesar, Angélica, Luis, Jonathan, Irving, Tania, Arely, Mariana, Brenda, que su apoyo moral fue indispensable y que agradezco haberlos conocido y que sean ahora parte de mi vida, por su cariño amistad y momentos tan agradables e inolvidables, por ser tan importantes y especiales en mi vida. A mis profesores, asesor de tesis el Ing. Mauricio Darío, así como al Ing. Baca porque creyeron en este proyecto y lo apoyaron hasta el final, por su paciencia, su tiempo, su dedicación y su entrega. En especial también quisiera agradecerle al profesor Juan José Ponce porque fue un excelente maestro, pero también un admirable amigo, por su apoyo incondicional, por su amistad y apoyo fuera de los salones de clases, por sus palabras de aliento, por su sabiduría, por aquellas tardes de charlas interminables, porque confió y creyó en mí y por su inmenso cariño, es un ser al cual admiro y aprecio mucho. Gracias a todas aquellas personas que estuvieron a mi lado, apoyándome y ayudándome en la medida de sus posibilidades, y si hoy soy lo que soy y he llegado hasta donde estoy es definitivamente gracias a todos ustedes. Serrano Rivera Victoria Gpe. ÍNDICE página Capítulo 1 MARCO TEÓRICO 1.1 INTRODUCCIÓN 1.2 ANTECEDENTES 1.2.1CERRADURA ELECTROMAGNÉTICA 1.2.1.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 1.2.1.2 VENTAJAS 1.2.1.3 FUERZA DE RETENCIÓN 1.2.2 BLUETOOTH 1.2.2.1 INTRODUCCIÓN 1.2.2.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO 1.2.2.3 VENTAJAS 1.2.2.4 ALCANCE 1.2.2.5 ANCHO DE BANDA 1.2.2.6 TRANSMISIÓN 1.2.2.7 PROTOCOLO DE CONEXIÓN 1.2.2.8 SEGURIDAD 1.3 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA Capítulo 2 DESARROLLO DEL SISTEMA 2.1 CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN 2.2 MÓDULO HC-05 2.3 COMUNICACIÓN DEL MÓDULO HC-05 Y MICRO CONTROLADOR 2.4IMPLEMENTACIÓN DEL MODULADOR DE POSICIÓN DE PULSOS 2.5 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE POTENCIA 2.6 FUENTE DE ALIMENTACIÓN Capítulo 3 PRUEBAS DEL SISTEMA 3.1COMUNICACIÓN ENTRE EL DISPOSITIVO MOVIL-MÓDULO BLUETOOTH 1 2 2 2 3 3 3 3 4 5 5 5 6 6 7 7 10 12 21 22 24 35 36 42 42 3.2 MODULADOR DE PULSOS CON LA IMPLEMENTACIÓN DEL TRANSISTOR BC 557 (Q1) Y UN TRANSISTOR TIP 41 42 3.2 MODULADOR DE PULSOS CON LA IMPLEMENTACIÓN DEL TRANSISTOR BC 557 (Q1) Y TRES TRANSISTORES TIP 41 44 3.3IMPLEMENTACIÓN DEL CIRCUITO DE POTENCIA 46 3.4IMPLEMENTACIÓN DEL CIRCUITO DE POTENCIA CON 48 TRANSISTOR PNP CONCLUSIONES 50 GLOSARIO 52 REFERENCIAS 53 CAPITULO I. MARCO TEÓRICO. 1.1 INTRODUCCIÓN Desde hace mucho tiempo las Cerraduras se han incorporado a las puertas como un sistema de seguridad y que permite el acceso a algún sitio. Se ha observado, que los sistemas convencionales son ineficientes. En el caso de algunas unidades habitacionales, que tienen la necesidad de compartir una puerta de acceso en calles cerradas o privadas, los usuarios, se encuentran con algunas complicaciones con el sistema al intentar acceder a sus hogares, a saber: a) El deterioro o la oxidación de las Cerraduras: Con el paso del tiempo algunos factores ambientales, como la humedad, hacen que el material con el que está elaborado la Cerradura se oxide y deteriore; provocando el reemplazo de la misma. b) Daño parcial o total de la Cerradura: El uso constante de una Cerradura por varios usuarios, puede provocar que esta se dañe en un corto periodo de tiempo. Otra de las causas por las cuales se puede dañar es debido a que los usuarios se equivoquen de llave, con esto, se forza el sistema mecánico, provocando también un daño. Debido a lo anterior, resulta la necesidad de cambiar la Cerradura, generando un gasto extra en la reproducción de llaves para cada usuario. En el caso de las unidades habitacionales esto se vuelve caótico debido al gran número de usuarios, pues con frecuencia el usuario que se da cuenta reporta el daño a la persona encargada, y los demás usuarios deben pedir un juego de copias de llaves, pero si los demás usuarios no se dan cuenta en el transcurso del día del cambio de Cerradura, tendrán que esperar a que alguien les permita entrar. Presenta un problema similar la empresa “ANTEC” por el número de usuarios, además porque la construcción consta de varias puertas, y resulta difícil encontrar la llave correcta para cada puerta. 1 Mediante la implementación del “Sistema para Cerradura (Electromagnética) utilizando interfaz Bluetooth” se solucionan las problemáticas anteriores porque el acceso de los usuarios será a través de su propio dispositivo móvil. 1.2 ANTECEDENTES A continuación se presentan los tópicos necesarios para entender las partes que conforman el sistema. 1.2.1 CERRADURA ELECTROMAGNÉTICA Estas Cerraduras son Dispositivos electromagnéticos idóneos para controlar el estado y funcionamiento de puertas. Una Cerradura Electromagnética, Cerradura magnética, o Maglock es un dispositivo de bloqueo que consiste en un electroimán y una placa de la armadura. Existen dos categorías principales de Maglock: "a prueba de fallos" "fracaso seguro"(Failsecure). Por razones de seguridad, se utiliza la categoría “A prueba de Fallos” para proteger a las personas, en caso de un incendio el bloqueo se libera cuando hay cortes de corriente. El principio detrás de una Cerradura Electromagnética es el uso del electromagnetismo para bloquear una puerta cuando está energizado. 1.2.1.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO La Cerradura magnética se basa en algunos de los conceptos básicos del electromagnetismo. Esencialmente consiste en un electroimán que atrae a un conductor con una fuerza lo suficientemente grande como para evitar que la puerta se abra. El dispositivo hace uso del hecho de que una corriente a través de uno o más bucles de alambre produce un campo magnético. El solenoide se envuelve alrededor de un núcleo ferromagnético (hierro blando) y el efecto del campo se amplifica en gran medida. Cuando el solenoide esta energizado fluye una corriente por el embobinado, que genera un campo magnético, el cual se denomina inducción magnética, esta inducción es la fuerza con 2 la que atrae a la segunda parte (el electro-imán). Cuando se corta la energía, se pierde el campo magnético y las placas se separan. 1.2.1.2 VENTAJAS Las Cerraduras magnéticas poseen una serie de ventajas con respecto a las Cerraduras convencionales. Por ejemplo: Fácil de instalar: En el caso de una puerta de cristal su instalación no requiere de perforaciones. Rápida para operar: Las Cerraduras magnéticas se desbloquean instantáneamente cuando se corta la energía, lo que permite la liberación rápida en comparación con otras Cerraduras. Robusto: Las Cerraduras magnéticas sufren menos daño por golpes. Su durabilidad y operación rápida pueden ser valiosos en un entorno de oficina. 1.2.1.3 FUERZA DE RETENCIÓN Un cierre magnético tiene una placa de metal rodeado por una bobina de alambre que puede ser magnetizado. El número de bobinas determina la fuerza de retención que caracteriza la Cerradura. La Cerradura Electromagnética de tamaño estándar se usa como una Cerradura de puerta. El tamaño estándar es de 1200 lb-f. (Fuerza de retención). 1.2.2 BLUETOOTH 1.2.2.1 INTRODUCCIÓN Casi todos los dispositivos de última generación hoy en día poseen lo que llaman “conectividad Bluetooth”. Es usual encontrarlo en teléfonos móviles, computadoras portátiles, netbooks, desktops, cámaras fotográficas, controles remotos, impresoras, auriculares, consolas de videojuegos y distintos gadgets tecnológicos que van desde instrumentos musicales hasta implementos de gimnasia 3 La conectividad inalámbrica Bluetooth salió al mercado a principios de 1998, como resultado de la colaboración de varias empresas líderes de la industria de las Tecnologías de la Información y la Comunicación (o sus siglas en ingles TIC): Ericsson, Nokia, Intel, IBM, Toshiba, Motorola, que más tarde, constituyeron el Grupo de Interés Especial (o sus siglas en ingles SIG) al que actualmente ya pertenecen más de 1600 empresas. Aunque esta tecnología surgió para sustituir a los cables en la conexión de periféricos, se ha convertido en un mecanismo de interconexiones de redes. Bluetooth es un estándar de conectividad inalámbrica cuya especificación industrial es IEEE 802.15.1, de pequeño alcance, y se encuentra dentro de la categoría de las redes WPAN (Redes Inalámbricas Personales), este estándar posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos como teléfonos celulares, asistentes personales digitales (o sus siglas en ingles PDA), ordenadores, etc., ya sea en el hogar, en la oficina, en el automóvil; mediante un enlace por radiofrecuencia segura. 1.2.2.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El Bluetooth posee un hardware que se compone de un dispositivo de radio que modula y trasmite la señal, mientras que un controlador digital se encarga de procesar las señales digitales entre los distintos dispositivos. Dependiendo de si es entrante o anfitrión, el controlador digital se encarga del envío y recepción de datos, determina las conexiones, el tipo de enlace, ubica el dispositivo y se encarga de las peticiones dadas por el usuario. En la Figura 1.1 se muestra el principio de funcionamiento de Hardware del Bluetooth. MÓDULO DE RADIO GESTION DE E/S CONTROL DEL ENLACE Figura.1.1 Principio de Funcionamiento del Hardware del Bluetooth 4 1.2.2.3 VENTAJAS El sistema de comunicación Bluetooth es un protocolo de comunicación que se ha desarrollado para la comunicación inalámbrica de dispositivos de bajo consumo. El cual ofrece las siguientes ventajas: A diferencia de lo que ocurre con el sistema de transmisión de datos IRDA (Infrared Data Association), no se requiere que los dispositivos estén alineados en una misma dirección, pero sí que se encuentren a una distancia relativamente corta uno de otro. Soporta voz y datos de manera simultánea. Minimiza la interferencia potencial al emplear saltos rápidos en frecuencia de 1600/s. La potencia que requiere el transmisor es de 1mW para 10 metros de alcance y 100mW para un alcance de hasta 100 metros. Está disponible en todo el mundo y no requiere de ninguna licencia especial. 1.2.2.4 ALCANCE La distancia máxima que admite el sistema Bluetooth a la hora de intercambiar información con otro terminal se clasifica en tres clases, a saber: Clase 1: Alcance máximo 100 metros Clase 2: Alcance máximo 25 metros Clase 3: Alcance máximo 1 metro 1.2.2.5 ANCHO DE BANDA Los dispositivos Bluetooth dependen del ancho de banda del que dispongan para intercambiar información, a saber: Versión 1.2: Ancho de banda máximo de 1Mbit/s Versión 2.0 EDR: Ancho de banda máximo de 3Mbit/s Versión 3.0 HS: Ancho de banda máximo 24Mbit/s 5 1.2.2.6 TRANSMISIÓN La transmisión de datos puede ser realizada de manera síncrona o asíncrona. El método Síncrono Orientado a Conexión (SCO) es usada principalmente para la voz y el Asíncrono no Orientado a Conexión (ACL) es principalmente usado para transmitir datos. Bluetooth está diseñado para usar acuses y saltos de frecuencias, lo cual hará conexiones robustas. La información que se transmite es fragmentada en paquetes; cada paquete está formado por tres bloques: El Código de Acceso, La cabecera y La Carga Útil. El Código de Acceso y La Cabecera son de longitud fija (72 y 54 bits, respectivamente), mientras que el tamaño de la Carga Útil puede variar desde 0 hasta los 2745 bits. El código de acceso es el mismo en cada dispositivo interconectado y se utiliza para distinguir los paquetes pertenecientes a cada pequeña red Interconectada, después de que cada paquete es recibido, saltaran a una nueva frecuencia, lo cual ayuda a los problemas de Interferencia y añade seguridad a la Transmisión. Cada dispositivo Bluetooth está equipado de un Microchip (Transceiver) que transmite y recibe en la frecuencia de 2.45 GHz, en la banda ISM (2.402 GHz hasta 2.480 GHz en saltos de 1MHz). 1.2.2.7 PROTOCOLO DE CONEXIÓN Las conexiones Bluetooth, son establecidas a través del siguiente protocolo: STANDBY: Si se encuentran dos o más dispositivos Bluetooth compartiendo un mismo canal, y no están conectados, se encuentran en modo standby, ellos escuchan mensajes cada 1.28 segundos, sobre 32 saltos de frecuencias. PAGE/INQUIRY: Si un dispositivo desea hacer una conexión con otro dispositivo, el primero le envía un mensaje de tipo page, si la dirección es conocida; o una petición a través de un mensaje de page, si este no es conocido la unidad “master” envía 16 page message idénticos, en 16 saltos de frecuencias, la unidad “slave”. Si no hay respuesta, el “master” retransmite en los otros 16 saltos de frecuencia. El método de petición (Inquiry) requiere una respuesta extra por parte de la unidad “slave”, desde la dirección MAC, que no es conocida por la unidad “master”. 6 ACTIVE: Ocurre la transmisión de datos. HOLD: Cuando el “master” o el “slave” desean, puede ser establecido un modo en el cual no son transmitidos datos. El objetivo de esto es conservar el poder. SNIFF: El modo sniff, es aplicable solo para las unidades “slave”, es para conservar el poder. Durante este modo el “slave”, no toma un rol activo entre el enlace de los dispositivos bluetooth, pero escucha a un reducido nivel. 1.2.2.8 SEGURIDAD En cuanto a la Seguridad, esta es provista en tres caminos: A través de saltos de frecuencias pseudo-aleatorios que dificultan que dispositivos ajenos a la red puedan interceptar o ver el tráfico de información. Autentificación, permite a un usuario controlar la conectividad para solo dispositivos especificados. Encriptación, se usan claves secretas con longitudes de 1,40 o 64 bits. 1.3 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL SISTEMA En la Figura 1.2 se muestra el diagrama de bloques del “sistema para Cerradura Electromagnética utilizando módulo Bluetooth “ y a continuación se explica cada bloque: 7 Transmisor (Dispositivo móvil) Envío de datos Conexión Bluetooth (módulo HC05) Recepción de datos (Micro controlador PIC18F4550) Procesamiento de Datos (Micro controlador PIC18F4550) Apertura de Puerta Ejecución de instrucciones en el Sistema Potencia Fuente de Alimentación Figura.1.2 Diagrama de bloques del sistema El Transmisor (dispositivo movil). Es cualquier telefono celular que cuente con una aplicación para poder transmitir los datos deseados, esta aplicación recibe el nombre de “Bluetooth Term”. Para poder transmitir, primero es necesario habilitar la funcion Bluetooth del telefono o dispositivo movil, una vez activado se debe vincular con el módulo previamente seleccionado (HC 05). Envio de Datos.Este es el bloqueque envia los comandos o instrucciones que demanden ejecutar las acciones necesarias para la apertura de la puerta; mediante la aplicación “Bluetooth Term”la cual despliega un menú. Conexión Bluetooth (Módulo HC 05).Una vez enviados los comandos o instrucciones, el módulo debe realizar la interconexion entre el dispositivo movil y el Micro controlador a través de los puertosdel transmisor (Tx) y del receptor (Rx) de ambos. 8 Recepción de Datos y Procesamiento.La recepcion de datos se realiza a través del Micro controlador PIC18f4550 mediante el puerto RX, y ejecuta las instrucciones. Ejecución de instrucciones en el Sistema de Potencia.Se le denomina “Sistema de Potencia” a la parte del circuito electronico, que interrumpe el flujo de corriente a la cual se encuentra conectada la Cerradura electromagnetica, para lograr que las placas de la Cerradura se liberen de la accion del campo electromagnetico y se separen. Apertura de la puerta. Ya que las placas de la Cerradura se liberen de la accion del campo electromagnetico y se separen,se tendra como resultado la apertura de la puerta. En la Figura 1.3 se muestra la representación del funcionamiento del “Sistema para Cerradura Electromagnética utilizando módulo Bluetooth “. Figura.1.3 Representación del funcionamiento del “Sistema para Cerradura Electromagnética utilizando módulo Bluetooth “. 9 CAPITULO II. DESARROLLO DEL SISTEMA. La Transmisión de las instrucciones para la apertura de la puerta es realizada mediante cualquier teléfono celular, el cual debe contar con la Aplicación “Blue Term”, dicha aplicación es utilizada para el control vía remoto del acceso a una habitación. Las instrucciones se programaron en el Compilador PIC C en lenguaje C para lograr la apertura de la puerta. La lógica del programa se muestra en las Figuras 2.1a y 2.1b a través del diagrama de flujo. 10 inicio rx_data; dato; clave; respaldo; inti; Bienvenido al menú Principal: 1.-Establecer contraseña 2.-Teclear contraseña Establecer contraseña Teclear contraseña Introduce la clave de 4 dígitos Genera la clave de 4 dígitos Espera a que el usuario introduzca su clave Espera a que el usuario introduzca 4 dígitos no no rx_data=clave rx_data≠0 no si si i<2 rx_data=clave si return Introduzca la contraseña de respaldo La clave es incorrecta, favor de introducirla de nuevo Bienvenido PORTA=0X00 Espera a que el usuario introduzca la contraseña de respaldo i++ dato=0 delay 3000ms no respaldo=5455 PORTA=0xFF rx_data=respaldo dato=1 fin Figura 2.1a Diagrama de flujo del programa que efectúa la interrupción 11 si Bienvenido PORTA=0X00 dato= 0 delay 3000ms PORTA=0XFF dato=1 fin Figura 2.1b Diagrama de Flujo del Programa que efectúa la interrupción 2.1 CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN El Diagrama de Flujo se convirtió en un código de programación; el cual quedo programado en la memoria del PIC18F4550, el cual se muestra a continuación: //****************************************************************************// // PROGRAMA IMPLEMENTADO PARA LA APERTURA DE UNA PUERTA // // Programmed by: IPN ESIME ZAC VICTORIA E ISIS// // Date: MARCH 2015 // //****************************************************************************// //CONFIGURATION AND LIBRARIES #include <18F4550.h> #fuses HSPLL,NOWDT,PUT,MCLR,NOLVP,NODEBUG,PLL5,CPUDIV1,PROTECT #use delay(clock=48000000) 12 #use rs232(baud=9600,parity=N,xmit=PIN_C6,rcv=PIN_C7,bits=8,UART1) #include <stdio.h> #include <math.h> #INT_RDA //Entra a la interrupción la cual realiza la apertura de puerta mediante el menú función() { extern char respaldo[4]; extern char rx_data; extern double dato; extern char clave [4]; extern char pin [4]; extern int i; int j=0; int k=0; rx_data=getchar(); i; j=0; RESPALDO: // contraseña de respaldo cuando el usuario olvida su contraseña if(i>2) { k=0; puts("Introduzca la contraseña de respaldo"); rx_data=0; while(rx_data==0) { rx_data=getchar(); } pin[k]=rx_data; k++; 13 while(k<=3) { rx_data=getchar(); if(rx_data!=0) { pin[k]=rx_data; k++; rx_data=0; } } if(respaldo[0]==pin[0]) { if(respaldo[1]==pin[1]) { if(respaldo[2]==pin[2]) { if(respaldo[3]==pin[3]) { i=0; puts("Bienvenido"); output_a(0x00); delay_ms(3000); output_a(0xFF); } } } } } 14 if(rx_data==0x30) //Al enviar un cero (‘0’) se desplegara el menú { MENU: puts("---------------------------"); puts("Bienvenido al menú principal"); puts("---------------------------"); puts("1.-Establecer contraseña"); puts("2.-Teclear contraseña"); rx_data=0; } else if(rx_data==0x31) //Accede a la opción 1 del menú { k=0; rx_data=0; puts("Introduzca la contraseña inicial"); // contraseña default while(rx_data==0) { rx_data=getchar(); } pin[k]=rx_data; k++; if(clave[0]==pin[0]) { if(clave[1]==pin[1]) { if(clave[2]==pin[2]) { if(clave[3]==pin[3]) { 15 puts("Genere la clave de 4 digitos"); while(rx_data==0) { rx_data=getchar(); } clave[j]=rx_data; j++; while(j<=3) { rx_data=getchar(); if(rx_data!=0) { clave[j]=rx_data; //guarda los 4 dígitos del usuario como clave j++; rx_data==0; } } } } } puts("La clave es"); //Imprime la clave for(j=0; j<=3; j++) { putc(clave[j]); } puts(" "); } 16 } else if(rx_data==0x32) //Accede a la opción 2 del menú { if(clave[0]!=0) { PIN: k=0; puts("Introduzca la contraseña"); //Espera a que el usuario introduzca la contraseña rx_data=0; while(rx_data==0) { rx_data=getchar(); } pin[k]=rx_data; k++; while(k<=3) { rx_data=getchar(); //Espera que se ingresen los 4 dígitos if(rx_data!=0) { pin[k]=rx_data; k++; rx_data=0; } } puts("pin:"); for(k=0;k<=3;k++) 17 { putc(pin[k]); } puts(" "); if(clave[0]==pin[0]) //compara la clave del usuario con la ingresada { if(clave[1]==pin[1]) { if(clave[2]==pin[2]) { if(clave[3]==pin[3]) { puts("Bienvenido"); //apertura de puerta output_a(0x00); delay_ms(3000); output_a(0xFF); } } } } else { puts("Clave incorrecta......."); delay_ms(1000); i++; putc(i); if(i<=2) { goto PIN; //Espera a que el usuario intente acceder 2 veces } else 18 goto RESPALDO; } } else puts("Primero debe generar un contraseña"); //Cuando el usuario intenta acceder //directamente a la opción 2 del menú } } //Global variables double rx_data; char clave[4]={1,1,1,1}; char pin[4]={0,0,0,0}; double dato=0; char respaldo[4]={2,8,3,5}; int i=0; //******************** SPECIAL FUNCTIONS **************************// //************************ MAIN PROGRAM ****************************// void main() { //Local variables #asm bsf 0xF9B,6 //Enable PLL #endasm //Periperal configuration 19 disable_interrupts(GLOBAL); port_b_pullups(FALSE); //Periperal configuration setup_comparator(NC_NC_NC_NC); set_tris_b(0x00); set_tris_c(0xC0); set_tris_a(0x00); set_tris_d(0x00); enable_interrupts(GLOBAL); enable_interrupts(INT_RDA); output_a(0xff); while(1) { output_b(0x00); } } //END OF PROGRAM 20 Por medio de este programa grabado y compilado en el PIC18F4550, la Aplicación “Blue Term” despliega el Menú correspondiente a las opciones que tiene el usuario para la apertura de la puerta. El usuario elige una de las opciones del Menú y esta instrucción debe *decodificarla el Micro controlador y realizar las instrucciones necesarias; siguiendo la lógica del Diagrama de Flujo, dependiendo de qué es lo que elija el usuario; ya una vez interpretados los datos del usuario por el Micro controlador, un Módulo de Conexión Bluetooth debe ser el encargado del envió inalámbrico de las instrucciones para la apertura de la puerta. 2.2 MÓDULO HC-05 Existen en el mercado varios Módulos que sirven para la conexión Bluetooth; los cuales ayudan a la interconexión entre el dispositivo móvil, el Micro controlador y el Sistema Analógico. Para la solución de la problemática previamente planteada, se eligió el Módulo HC05. La elección de este Módulo se debe a que regularmente los teléfonos celulares bajo el protocolo de intercambio de datos Bluetooth son Clase 2 o 3; y el Módulo HC05 se encuentra dentro del rango de la clase 2; teniendo un alcance de 10 metros. También es importante considerar que el ancho de banda en el que opera es de 1.3Mbps, encontrándose así dentro de la Versión 2.0 y que el módulo viene configurado de fábrica para trabajar como maestro o esclavo (En el modo maestro puede conectarse con otros módulos bluetooth, mientras que en el modo esclavo queda a la escucha de peticiones de conexión). A continuación se muestran algunas características del Módulo HC05: Características: Alcance: 10 metros Salida: Nivel TTL Velocidad: 1200bps a 1.3Mbps Frecuencia: 2.4GHz banda ISM Consumo de corriente: 50 mA Voltaje de operación: 3 Volts a 6 Volts Temperatura de operación: -20 ºC a +75 ºC 21 2.3 COMUNICACIÓN DEL MÓDULO HC-05 Y MICRO CONTROLADOR Es necesario interconectar al Micro controlador PIC18F4550 (IC1) con el Módulo HC-05 (M1) para que se comuniquen entre sí por medio de sus terminales Tx y Rx respectivamente, el diagrama de la interconexión se muestra en la Figura 2.2 Figura 2.2 Diagrama de interconexión entre el módulo HC-05 y el Micro controlador 18f4550 El sistema de comunicaciones serie es de Universal Asynchronous Receiver-Transmitter. por medio de la UART, acrónimo Es un chip cuya misión principal es convertir los datos recibidos del bus del PC en formato paralelo, a un formato serie que será utilizado en la transmisión hacia el exterior. También realiza el proceso contrario: transformar los datos serie recibidos del exterior en un formato paralelo entendible por el bus. La transmisión entre el Módulo y el Micro controlador es por medio de la UART. La UART es un dispositivo programable en el que pueden establecerse las condiciones que se utilizarán para la transmisión (velocidad, paridad, longitud y bits de parada). El funcionamiento del módulo UART mejorada es controlado a través de tres registros: • Estado de Transmisión y Control (TXSTA) • Conocer el estado y Control (RCSTA) 22 • Baud Rate Control (BAUDCON) El UART normalmente no genera o recibe directamente las señales externas entre los diferentes módulos del equipo. Usualmente se usan dispositivos de interfaz separados para convertir las señales de nivel lógico del UART hacia y desde los niveles de señalización externos. Las señales externas pueden ser de variada índole. En este caso se utilizó el estándar para señalización por voltaje RS-232. El modo en el cual se ocupa la UART es Asíncrono, se selecciona limpiando el bit SYNC ((bit 4 del Registro TXSTA). Se transmite y recibe primero el bit menos significativo (LSB). Transmisor: El diagrama de bloques del transmisor UART se muestra en Figura 2.2. El corazón del transmisor es el Transmitir (en serie) a través del Registro de desplazamiento (TSR). Los Registros de desplazamiento obtienen sus datos de la Lectura / Escritura del Buffer de registro, (TXREG) o por una paleta. El registro TXREG se carga con los datos en software. El registro TSR no está cargado hasta que el bit de Stop se ha transmitido de la carga anterior. Tan pronto como se transmite el bit de Stop, el TSR se carga con nuevos datos del registro TXREG (si está disponible). Figura 2.2 a Diagrama a Bloques del Transmisor UART El diagrama de bloques del receptor se muestra en la Figura 2.2 b Los datos se reciben en el pin RX y conduce los datos bloque de recuperación. El bloque de recuperación de datos es en realidad una palanca de cambios de alta velocidad que funciona a veces x16 la velocidad de transmisión mientras que la principal palanca de cambios de serie recibir opera en el velocidad de bits o en FOSC. Este modo normalmente se usaría en los sistemas RS-232. A continuación se muestra la Figura 2.2b donde se observa el Diagrama a Bloques del Receptor UART 23 Figura 2.2b Diagrama a Bloques del Receptor UART Para configurar una recepción asíncrona: 1. Inicialice el SPBRGH: SPBRG registra para el velocidad de transmisión adecuada. Establecer o borrar la BRGH y los bits BRG16, según sea necesario, para lograr la velocidad de transmisión deseada. 2. Active el puerto serie asíncrono en la limpieza bit SYNC y el bit SPEN ajuste. 3. Si la señal en el pin RX es ser invertida, ajuste el bit RXDTP. 4. Si se desean interrupciones, establezca el bit de habilitación RCIE. 5. Si se desea recepción de 9 bits, el bit RX9. 6. Habilitar la recepción poniendo el bit CREN. 7. poco Bandera, RCIF, se establecerá cuando la recepción es completa y una interrupción se generará si bit de habilitación, RCIE, se estableció. 8. Lea el registro RCSTA para obtener el noveno bit (si habilitado) y determinar si se ha producido algún error durante la recepción. 9. Lea los 8 bits recibidos de datos mediante la lectura del Registro RCREG. 10. Si se ha producido algún error, borrar el error en la limpieza bit de habilitación CREN. 11. Si hace uso de las interrupciones, asegúrese de que los bits GIE y PEIE en el registro INTCON (INTCON <7: 6>) están habilitados. 2.4 IMPLEMENTACIÓN DEL MODULADOR DE POSICIÓN DE PULSOS En el Diagrama a Bloques de la Figura 1.2 se muestra que el siguiente bloque es “Ejecución de instrucciones en el Sistema de Potencia”, para la elaboracion de este bloque, se deben 24 tener en cuenta varias consideraciones, principalmete la importancia de la bobina dentro del sistema, la cual se denominara de ahora en adelante como“ la carga del sistema”, porque, debe mantenerse energizada y desenergizarse solo por medio del telefono móvil al enviar la instrucción de abrir la puerta. La carga del sistema es una bobina de corriente directa (C.D.) que necesita una alimentación de 12 Volts y consume una corriente de 250mA para mantenerse energizada, esta cuenta con una resistencia interna, el valor se obtiene de la Ley de Ohm, el cual es 48Ω; y esta resistencia es considerada como el Resistor de emisor 𝑅𝐸 = 48Ω. Para proporcionar la corriente necesaria que demanda la carga es necesario un arreglo de tipo Darlington que funciona como una unidad simple con ganancia de corriente, siendo la ganancia total el producto de las ganancias de corriente de los transistores individuales. El arreglo se muestra en la Figura 2.3. El transistor T1 tiene un resistor en la base para la polarización y el transistor T2 tiene la carga en el emisor. Los transistores T1 y T2 son npn (TIP41), funcionan como interruptores que se polarizan en corte y saturación. Cuando el transistor T1 este en saturación, polarizará al transistor T2, y entrará en saturación de igual forma, dejando así que la corriente fluya hacia la carga (bobina), energizandola, de esta manera la puerta se mantiene cerrada. Cuando los transistores esten en corte, la carga se desenergiza y se abre la puerta. Figura 2.3 Configuración para la polarización del arreglo Darlington El Arreglo Darlington proporciona la ganancia mostrada en la Ecuación (2.1) 𝛽𝐷 = 𝛽1 𝛽2 25 (2.1) Como en el arreglo se dispuso de dos transistores TIP41 siendo 𝛽1 = 𝛽2 Según las hojas de datos del Fabricante para un 𝑉𝐶𝐸 = 4𝑣 e 𝐼𝐶 = 250𝑚𝐴 la ganancia en corriente directa es 𝛽 = 50. En esta aplicación el transistor esta operando en la región de saturación, si se considera que 𝑉𝐶𝐸 = 1.3 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠. La ganancia del transistor en corriente directa es de 𝛽 = 8. 𝛽1 = 𝛽2 = 8 Realizando la operación de la Ecuación (2.1) para las ganancias de los transistores: 𝛽𝐷 = 64 De acuerdo a las hojas de datos se tiene: 𝑉𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡) = 0.8 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝐼𝐶 = 250𝑚𝐴 Para el circuito empleado las especificaciones son las siguientes: 𝑉𝐶𝐸𝑄 = 1.3 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠; 𝑉𝐶𝐶 = 12𝑣; 𝛽=8 Como se mencionó, para polarizar el transistor T1 es necesario un Resistor en la base, analizando el circuito de la Figura 2.3, se obtiene la Ecuación (2.2) 𝑉𝐶𝐶 − 𝑅𝐵 𝐼𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 − 𝑅𝐸 𝐼𝐸 = 0 (2.2) La corriente en el emisor, se expresa en la siguiente Ecuación (2.3): 𝐼𝐸 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝐵 (2.3) Se sabe que 𝐼𝐶 : 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 (2.4) Sustituyendo la Ecuación (2.4) en la Ecuación (2.3), queda: 𝐼𝐸 = (𝛽𝐼𝐵 ) + 𝐼𝐵 Factorizando 𝐼𝐵 queda la Ecuación (2.5): 𝐼𝐸 = ( 𝛽𝐷 + 1)𝐼𝐵 (2.5) Se sustituye la Ecuación (2.5) en la Ecuación (2.2), quedando: 𝑉𝐶𝐶 − 𝑅𝐵 𝐼𝐵 − 𝑉𝐵𝐸𝑡 − 𝑅𝐸 ((𝛽𝐷 + 1)𝐼𝐵 ) = 0 (2.6) De la Ecuación (2.6) el término 𝑉𝐵𝐸𝑡 es la suma de los voltajes de base-emisor de cada uno de los transistores, y como son los mismos: 26 Hoja de datos del Fabricante del transistor TIP41 en el apartado de Referencias (4) 𝑉𝐵𝐸𝑡 = 1.6 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 Despejando el término 𝑅𝐵 de la Ecuación (2.6), y sustituyendo los valores dados 𝑅𝐵 = 𝑅𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸𝑡 − 𝛽𝐷 𝑅𝐸 𝐼𝐵 12 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 − 1.6 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 − ((64)(48Ω)) = 1088Ω 2.5𝑚𝐴 El valor comercial es de 1kΩ Es necesario considerar la potencia disipada en el resistor para evitar calentamientos en el sistema, la Ecuación para la potencia es la siguiente: 𝑃 = 𝑉𝐼𝐵 (2.7) Siendo: V = VIC1 − 2VBE − VE = 0.4 Volts IB = 2.5mA Despejando los valores de la Ecuación (2.7): P = (0.4 Volts)(2.5mA) = 1mW ∴ R B = 1kΩ a 1/4W En el circuito de la Figura 2.3, está mostrado el resultado. Una forma de mejorar la calidad del sistema es aumentando el tiempo de vida útil de la Cerradura, que se podría conseguir disminuyendo la disipación de calor en la carga (Cerradura Electromagnética), para lograr este objetivo, se propuso utilizar la modulación de pulsos, ya que al aumentar el número de pulsos secundarios y mantener con un valor de ángulo apropiado al pulso principal, se logra que la energía en promedio sea menor y como el voltaje promedio también es bajo, la razón de flujo de corriente por unidad de tiempo 𝑉 𝐿 = 𝑑𝐼 𝑑𝑡 disminuye proporcionalmente con el número de pulsos secundarios. Para lograr esto es necesario la implementación de un modulador de posición de pulsos con una modulación por ancho de pulso de tipo sinusoidal. 27 El modulador de posición de pulsos se realiza con dos circuitos temporizadores 555 (U1, U2), los cuales modulan el ancho de pulso de la señal que se recibe del Micro controlador PIC18f4550 (IC1) optimizando de esta manera el consumo de energía. Se propone la configuración astable del circuito temporizador 555, para esto se tiene lo siguiente para U1 de la Figura 2.4: Tiempo Alto 𝑇𝑜𝑛 = 0.693 (𝑅𝐴 + 𝑅𝐵) 𝐶 (2.8) 𝑇𝑜𝑛 = 0.693 (4.7 𝐾Ω + 3.3 𝐾Ω) 470 𝑛𝐹 𝑇𝑜𝑛 = 2.60568 𝑚𝑠 Tiempo bajo 𝑇𝑜𝑓𝑓 = 0.693 (𝑅𝐵) 𝐶 (2.9) 𝑇𝑜𝑓𝑓 = 0.693 (3.3KΩ) 470nF 𝑇𝑜𝑓𝑓 = 1.0748 𝑚𝑠 Frecuencia 1.44 𝑓 = (𝑅𝐴+2𝑅𝐵) 𝐶 𝑓= 1.44 (4.7𝐾Ω + 2(3.3𝐾Ω)) 470𝑛𝐹 𝑓 = 271.13 𝐻𝑧 Para U2 de la Figura 2.4: Tiempo Alto Ocupando las mismas Ecuaciones (2.8), (2.9) y (2.10) 𝑇𝑜𝑛 = 0.693 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐷) 𝐶 𝑇𝑜𝑛 = 0.693 (4.7 KΩ + 3.3 KΩ) 100µF 𝑇𝑜𝑛 = 554.4 𝑚𝑠 28 (2.10) Tiempo bajo 𝑇𝑜𝑓𝑓 = 0.693 (𝑅𝐷) 𝐶 𝑇𝑜𝑓𝑓 = 0.693 (3.3𝐾Ω) 100µ𝐹 𝑇𝑜𝑓𝑓 = 228.69 𝑚𝑠 Frecuencia f= F= 1.44 (RC + 2RD) C 1.44 (4.7KΩ + 2(3.3KΩ)) 470nF F = 271.13 Hz A continuación en la Figura 2.4 se muestra el diagrama de conexión del modulador de posición de pulsos: Figura 2.4 Modulador de posición de pulsos El transistor BC557 (Q1) sirve como interruptor, entre el opto acoplador (IC2) y el modulador de posición de pulsos ya que cuando el opto acoplador recibe la señal que envía el Micro 29 controlador PIC18f4550 (IC1) permite que se polarice el transistor por medio del resistor de base R2 y así permita que se alimenten los circuitos integrados (U1, U2) que conforman el modulador de posición de pulsos. El resistor de base polariza al transistor Q1 en las regiones de corte y saturación; según el fabricante en la hoja de datos. Por criterio de diseño, se considera una ganancia en corriente directa mínima de 10. De acuerdo a las hojas de datos del Fabricante se tomaron los siguientes valores: 𝑉𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡) = −0.77 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐶𝐸(𝑠𝑎𝑡) = −50𝑚𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝐼𝐶 = 100𝑚𝐴 𝑑𝑐 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑒 𝑒𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑖𝑠𝑡𝑜𝑟 Para el circuito empleado las especificaciones son las siguientes: 𝐼𝐶 = 40𝑚𝐴; 𝑉𝐶𝐶 = 12𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠; 𝛽𝐶𝐶 = 10 Despejando la 𝐼𝐵 de la Ecuación (2.4), se obtiene: 𝐼𝐵 = 𝐼𝐶 (2.11) 𝛽𝐶𝐶 Sustituyendo los valores: 𝐼𝐵 = 40𝑚𝐴 = 4𝑚𝐴 10 Para obtener el valor del resistor de base: 𝑅𝐵 = 𝑉𝐵 𝐼𝐵 (2.12) El 𝑉𝐵 , es: 𝑉𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸 En la Ecuación (2.12) se sustituye la equivalencia de 𝑉𝐵 y todos los valores ya conocidos para obtener el valor del resistor de base: 𝑅𝐵 = 𝑉𝐵 𝐼𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 −𝑉𝐵𝐸 𝐼𝐵 = 12𝑣−0.77𝑣 4𝑚𝐴 ≈ 2.8𝑘Ω 30 Hoja de datos del Fabricante del transistor BC557 en el apartado de Referencias (5) El valor comercial del resistor es 𝑅𝐵 = 2.7𝑘Ω A continuación en la Figura 2.5 se muestra el Diagrama del modulador de pulsos con la implementación del transistor BC557 (Q1). Figura 2.5 Diagrama del modulador de pulsos con la implementación del transistor BC557. En la Figura 2.6, se muestra que el Opto acoplador 4N25 (IC2), está conectado a la salida del Micro controlador PIC18f4550 (IC1). El opto acoplador se utiliza en el circuito para aislar la parte que trabaja con 5 Volts del Micro controlador PIC18f4550 (IC1) que es el sistema de control y la parte de 12 Volts donde se conecta al modulador de posición de pulsos. Figura 2.6 Conexión entre el Opto acoplador- PIC-Sistema de Potencia 31 En la Figura 2.7 se muestra el Esquemático del Sistema para Cerradura Electromagnética utilizando módulo Bluetooth implementando el modulador de pulsos. Figura 2.7 Esquemático del Sistema para Cerradura Electromagnética utilizando módulo Bluetooth Al Implementar el circuito de la Figura 2.5 se observó que la disipación de calor que tenía la carga del sistema se redujo, pero la fuerza de retención entre las placas de la Cerradura Electromagnética era insuficiente para mantener cerrada la puerta, al observar esto, se procedió a hacer mediciones para visualizar que ocurría con la corriente que los transistores le estaban suministrando a la bobina. En la Tabla 2.1 se muestran los valores de las mediciones: 32 Tabla 2.1 Mediciones en T1 y T2 Del transistor T1: Del transistor T2: 𝑉𝐵𝐶 = 6.329 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐵𝐶 = 2.931 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐵𝐸 = 2.092 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐵𝐸 = 0.327 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐶𝐸 = 3.159 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐶𝐸 = 3.109 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 Los valores de voltaje y corriente fueron los siguientes: 𝑉𝐿1 = 10.63 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 e 𝐼𝐿1𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 = 174 𝑚𝐴 Se observó que la temperatura del Transistor T2 tuvo variaciones en el tiempo debido a la forma de onda que le provee el modulador de pulsos la cual se muestra en las Figuras 2.8, 2.9 y 2.10. Figura 2.8 Forma de onda en el circuito de Potencia a un ancho de pulso bajo 33 Figura 2.9 Forma de onda en el circuito de Potencia a un ancho de pulso medio Figura 2.10 Forma de onda en el circuito de Potencia a un ancho de pulso alto 34 En la Figura 2.11 se muestra la forma de onda que existe en la carga (L1). Figura 2.11 Forma de onda en la carga (L1) Al analizar las mediciones efectuadas en el circuito de la Figura 2.7 se observó que la corriente 𝐼𝐸𝑇2 no es suficiente para la carga del sistema, y esto provoca que la fuerza de retención de la Cerradura Electromagnética sea insuficiente para que la puerta permanezca cerrada, la forma de onda en la carga se muestra en la Figura 2.11. Para lograr la corriente suficiente en la carga, fue necesario reducir el valor del resistor de base. 2.5 IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE POTENCIA Con base en los resultados obtenidos, se optó en utilizar únicamente el Arreglo Darlington de la Figura 2.3, conectándolo al Opto acoplador, es decir, se prefirió utilizar menos componentes aunque el tiempo de vida de la Cerradura fuera menor. En la Figura 2.10 se muestra el Diagrama esquemático del Sistema para Cerradura Electromagnética utilizando Módulo Bluetooth como resultado de la decisión de utilizar menos componentes aunque el tiempo de vida útil de la Cerradura fuera menor. 35 Figura 2.10 Diagrama esquemático del Sistema para Cerradura (Electromagnética) utilizando Módulo Bluetooth 2.6 FUENTE DE ALIMENTACIÓN Son necesarias dos fuentes de voltaje para el funcionamiento del sistema de la Figura 2.10, una fuente de 5Volts para la alimentación del módulo Bluetooth (M1) y del Micro controlador (IC1) y la fuente de 12Volts para la alimentación del Sistema de Potencia. Para la alimentación del sistema para Cerradura Electromagnética utilizando Módulo Bluetooth, se utiliza la fuente de alimentación mostrada en la Figura 2.11 que proporciona voltajes de 5 y 12 Volts. 36 Figura 2.11 Fuente de voltaje de 5 y 12Volts La fuente de alimentación está compuesta por: 1.- Transformador de entrada 2.- Rectificador puente de diodos 3.- Filtro capacitivo para el rizado 4.- Regulador lineal. Para conocer las especificaciones del transformador es necesario saber la corriente de carga 𝐼𝐶𝐷 , la cual, es la corriente que consumen todos los dispositivos que conforman el Sistema. En el caso de la Fuente de 5 Volts se tiene: Micro controlador PIC18F4550 (de la hoja de datos del Fabricante) Voltaje de operación: 3.3 Volts a 5 Volts Consumo de corriente: 25mA. Módulo Bluetooth HC-05 (de la hoja de datos del Fabricante) Consumo de corriente: 50 mA Voltaje de operación: 3.6 V a 6 Volts 37 Hoja de datos del Fabricante del Micro controlador en el apartado de Referencias (1) Hoja de datos del Fabricante del Módulo HC-05 en el apartado de Referencias (2) La corriente total de este bloque es: 𝐼𝐶𝐷 ≈ 75 𝑚𝐴 𝑉𝐶𝐷 = 5 Ocupando la Ecuación (2.13) 𝜋 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 2√2 𝑉𝐶𝐷 (2.13) Sustituyendo los valores conocidos en la Ecuación 2.13: 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 1.11 ∗ 5 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 = 5.55 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 Para conocer el valor de la corriente que debe proporcionar el transformador se tiene la Ecuación (2.14): 𝜋 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 2√2 𝐼𝐶𝐷 (2.14) Sustituyendo los valores conocidos en la Ecuación 2.14: 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 1.11 ∗ 75𝑥10−3 𝐴 = 0.08325𝐴 = 83.25𝑚𝐴 Se observa que el valor 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 5.55 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 con 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 83.25𝑚𝐴 son los valores necesarios de CA que debe proporcionar el transformador. En el caso de la Fuente de 12 Volts se tiene: Según las hojas de datos del Fabricante del Opto acoplador: Corriente del LED en directo máx.: 50 mA Alimentación: 12 Volts Según el fabricante de la bobina de corriente directa Consumo de corriente: 250mA Voltaje de operación: 12 Volts Según las hojas de datos del Fabricante del transistor TIP41: Consumo de corriente: 30mA El bloque de Ejecución de instrucciones en el Sistema de Potencia y la carga (L1), consumen aproximadamente 360mA. Por lo que la fuente de alimentación de 12 Volts deberá proporcionar cuando más 𝐼𝑂 ≈ 500 𝑚𝐴 38 Hoja de datos del Fabricante del Opto acoplador en el apartado de Referencias (3) Hoja de datos del Fabricante del Transistor TIP41 en el apartado de Referencias (1) 𝑉𝐶𝐷 = 12 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 Ocupando las Ecuaciones (2.13) y (2.14) y sustituyendo los valores para la Fuente de 12 Volts: 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 𝜋 2√2 𝜋 2√2 𝑉𝐶𝐷 = 1.11 ∗ 12 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 = 13.32 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝐼𝐶𝐷 = 1.11 ∗ 500𝑥10−3 = 0.555𝐴 = 555𝑚𝐴 Se observa que el valor 𝑉𝑅𝑀𝑆 = 13.32 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 con 𝐼𝑅𝑀𝑆 = 555𝑚𝐴 son los valores necesarios de CA que debe proporcionar el transformador. Como se observa en la Figura 2.11 se decidió implementar solo un transformador para las dos salidas de 5 y 12 Volts respectivamente, por tanto se utilizó un transformador de 12 Volts a 1 Amper. El voltaje pico obtenido a la salida del transformador es 𝑉𝑃 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 √2 = 12√2 . Para obtener el valor del capacitor C11 se sabe que el voltaje de rizo está dado por la Ecuación (2.15) ∆V𝑜 = 𝐼𝑜 𝜋 𝑤𝐶 (2.15) Despejando C de la Ecuación (2.15), se obtiene la Ecuación (2.16) 𝐶= 𝜋𝐼𝑂 ꙍ∆𝑉𝑂 (2.16) Donde: ꙍ = 2𝜋𝑓 La frecuencia después de la rectificación 𝑓 = 120𝐻𝑧 ∴ ꙍ = 2𝜋(120𝐻𝑧) = 240𝜋 ∆𝑉𝑂 = 0.88 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 Se propone un voltaje de rizo ∆𝑉𝑂 = 0.88 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 para obtener un valor comercial del capacitor. Se sabe que la relación de rechazo de rizo según las hojas de datos del Fabricante es de 56 dB (típico). Por esto el voltaje de rizo a la salida de los reguladores se ve reducido 39 Hoja de datos del Fabricante de los circuitos reguladores LM7805 y LM7812 en el apartado de Referencias (6) ampliamente. Lo anterior es para que el sistema sea estable, principalmente el Micro controlador. 𝐼𝑂 Es la corriente que consumen los circuitos reguladores el LM7805 (IC3) y el LM7812 (IC4), cada uno con sus capacitores de 0.33𝜇𝐹 (𝐶5, 𝐶7) 𝑦 0.1( 𝐶4, 𝐶6)𝜇𝐹 (conforme a las hojas de especificaciones del Fabricante y el estándar de aplicación). Se propone que la corriente máxima que consuman estos circuitos sea de 1A (𝐼𝑜 ), dado que el circuito 7805(IC3) alimenta al bloque conformado por el Micro controlador PIC18F4550 (IC1) y el módulo HC-05 (M1). Sustituyendo los valores dados en la Ecuación (2.16): 𝐶= 𝜋(1𝐴) ((2𝜋)(120𝐻𝑧))(0.88 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠) = 4700𝜇𝐹 La fuente de alimentación de 12 Volts, tiene como carga el bloque que está conformado por el Opto acoplador (IC2), y el bloque de Ejecución de instrucciones en el Sistema Potencia y la carga (L1). Con los datos obtenidos se puede conocer el valor máximo de corriente, ID (máx) del puente de diodos rectificador, mediante la Ecuación (2.17): 𝐼𝐷 = 𝐼𝑜 𝜋 (2.17) 2∆𝑉𝑜 √ 𝑉 𝑝 Donde: 𝑉𝑃 = 𝑉𝑟𝑚𝑠 √2 = 12√2 ∆𝑉𝑂 = 0.88 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝐼𝑂 ≈ 500 𝑚𝐴 Sustituyendo los valores dados se tiene: 𝐼𝐷 = (500𝑚𝐴) 𝜋 = 4.87 𝐴 2(0.88𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠) √ 12√2 Para poder seleccionar un puente de diodos es necesario que dicho puente soporte la corriente máxima obtenida 𝐼𝐷 = 4.87 𝐴. 40 Observando la hoja de datos del fabricante del rectificador (Sepw04): 𝐼𝑓𝑠𝑚 = 40𝐴 Donde 𝐼𝑓𝑠𝑚 es la Corriente Máxima pico que soportara el puente de diodos rectificador por lo tanto el puente (Sepw04) es el adecuado. 41 Hoja de datos del Fabricante del rectificador en el apartado de Referencias (7) CAPITULO III. PRUEBAS DEL SISTEMA. En base a las pruebas parciales realizadas al sistema, se obtuvieron las siguientes observaciones: PRUEBA 1: ESTABLECER COMUNICACIÓN ENTRE EL DISPOSITIVO MÓVIL-MÓDULO BLUETOOTH Al intentar establecer una comunicación a través del dispositivo móvil (teléfono celular) con el Micro controlador (IC1) por medio del módulo HC-05 (M1), es necesaria la aplicación “Blue Term”, las primeras pruebas realizadas con el sistema con una versión anterior de la aplicación “Blue Term” y un dispositivo móvil (teléfono celular) de generación anterior, la comunicación fue satisfactoria; mientras que con distintos dispositivos móviles de distintas marcas y modelos de generaciones más recientes y utilizando la misma versión anterior de la aplicación “Blue Term”, los resultados de estas pruebas no fueron satisfactorias, pues se presentaron fallas en establecer la comunicación entre el teléfono celular y el módulo HC-05. PRUEBA 2: MODULADOR DE PULSOS CON LA IMPLEMENTACION DEL TRANSISTOR BC 557 (Q1) Y UN TRANSISTOR TIP 41 Se implementó el modulador de pulsos con un solo transistor TIP 41 como se muestra en la figura3.1, de esta prueba los resultados que se obtuvieron se muestran en la tabla 3.1 42 Figura 3.1 El modulador de pulsos con un solo transistor TIP 41 Del transistor T1: 𝑉𝐵𝐶 = 7.520 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐵𝐸 = 2.165 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐶𝐸 = 5.756 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 Tabla 3.1 Se muestran los valores de las mediciones Los valores de voltaje y corriente fueron los siguientes: 𝑉𝐿1 = 6.63𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 e 𝐼𝐿1𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 = 123 𝑚𝐴 𝐼𝐿1𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜 = 120𝑚𝐴 En esta prueba se observa una corriente aproximadamente del 50.60 % del valor máximo de corriente que consume la Cerradura Electromagnética. La corriente que consume la carga es suficiente para generar un campo magnético con una fuerza de atracción en la cerrada 43 Electromagnética que permita que la puerta se mantenga cerrada pero que tenga una fuerza de retención débil entre las placas metálicas de la Cerradura Electromagnética que hacen que la puerta se mantenga cerrada. En conclusión: Debido a lo anterior es necesario realizar otra prueba, con la implementación de un arreglo capaz de aumentar la corriente a la salida del sistema de potencia; para que la Cerradura Electromagnética logre mayor fuerza de retención y así la puerta no se abra fácilmente. PRUEBA 3: MODULADOR DE PULSOS CON LA IMPLEMENTACIÓN DEL TRANSISTOR BC 557 (Q1) Y TRES TRANSISTORES TIP 41 Otra prueba realizada fue la implementación de un tercer transistor TIP 41 en el sistema de potencia (ver Figura 3.2) para así poder lograr aumentar la corriente en la carga, con esta prueba se obtuvieron los resultados que se muestran en la tabla 3.2 44 Figura 3.2 Implementación de un tercer transistor TIP 41 en el sistema de potencia En la Tabla 3.2 se muestran los valores de las mediciones Tabla 3.2. Mediciones en T1, T2 y T3. Del transistor T1: Del transistor T2: Del transistor T3: 𝑉𝐵𝐶 = 5.460 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐵𝐶 = 3.325 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐵𝐶 = 2.572 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐵𝐸 = 1.545 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐵𝐸 = 0.803 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐵𝐸 = 0.401 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐶𝐸 = 3.325 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐶𝐸 = 2.582 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐶𝐸 = 3 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 45 Los valores de voltaje y corriente fueron los siguientes: 𝑉𝐿1 = 9.05 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 e 𝐼𝐿1𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 = 177 𝑚𝐴 𝐼𝐿1𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑜 = 170𝑚𝐴 PRUEBA 4: IMPLEMENTACIÓN DEL CIRCUITO DE POTENCIA Se implementó el circuito de potencia (Figura 3.3) y se probó por separado obteniendo los siguientes resultados que se muestran en la tabla 3.3: Figura 3.3 Implementación del circuito de potencia y la Fuente de voltaje de 5 y 12Volts 46 Tabla 3.3 Mediciones en T1 y T2 Del transistor T1: Del transistor T2: 𝑉𝐵𝐶 = 0.058 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐵𝐶 = 0.657𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐵𝐸 = 0.602 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐵𝐸 = 0.697𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐶𝐸 = 0.658 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐶𝐸 = 1.356 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑠 Los valores de voltaje y corriente en la bobina L1 fueron los siguientes: 𝑉𝐿1 = 10.63 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 e 𝐼𝐿1 = 208 𝑚𝐴 En esta prueba se observa una corriente aproximadamente del 83.2 % del valor máximo de corriente que consume la Cerradura Electromagnética. La corriente que consume la carga es suficiente para generar un campo magnético con una fuerza de atracción en la cerradura Electromagnética que permita que la puerta se mantenga cerrada pero que tenga una fuerza de retención débil entre las placas metálicas de la Cerradura Electromagnética que hacen que la puerta se mantenga cerrada. En conclusión: Debido a lo anterior es necesario realizar otra prueba, con la implementación de un arreglo capaz de aumentar la corriente a la salida del sistema de potencia; para que la Cerradura Electromagnética logre mayor fuerza de retención y así la puerta no se abra fácilmente. 47 PRUEBA 5: IMPLEMENTACIÓN DEL CIRCUITO DE POTENCIA CON TRANSISTOR PNP Como se observó, en las anteriores pruebas, la corriente que consume la carga es suficiente para generar un campo magnético con una fuerza de atracción en la cerradura Electromagnética que permite que la puerta se mantenga cerrada pero que tiene una fuerza de retención débil entre las placas metálicas de la Cerradura Electromagnética que hacen que la puerta se mantenga cerrada. Por lo cual se implementó un circuito de potencia (Figura 3.4); utilizando un transistor PNP TIP 42C obteniendo los siguientes resultados que se muestran en la tabla 3.4: Figura 3.4 Implementación de circuito de potencia con Transistor PNP TIP42C Tabla 3.4 Mediciones en Transistor PNP: Del Transistor TIP42C 𝑉𝐵𝐶 = 0.608 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐵𝐸 = 0.716 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑉𝐶𝐸 = 0.110 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 Tabla 3.4 Mediciones en Transistor PNP TIP42C 48 Los valores de voltaje y corriente fueron los siguientes: 𝑉𝐿1 = 11.92 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 𝑒 𝐼𝐿1 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 = 230 𝑚𝐴 En esta prueba se observa una corriente aproximadamente del 92 % del valor máximo de corriente que consume la Cerradura Electromagnética. La corriente que consume la carga es suficiente para generar un campo magnético con una fuerza de atracción en la cerrada Electromagnética que permite que la puerta se mantenga cerrada y que tenga una fuerza de retención superior a las anteriores haciendo que la puerta se mantenga cerrada. En conclusión: Debido a lo anterior, con la implementación de un transistor PNP es notorio el aumento de la corriente a la salida del sistema de potencia; haciendo así que la Cerradura Electromagnética logre mayor fuerza de retención y así la puerta no se abra fácilmente. 49 CONCLUSIONES. Con base en las pruebas parciales realizadas durante el desarrollo del sistema, se obtuvieron algunas conclusiones importantes que deben considerarse, tales como: En la actualidad constantemente existen mejoras en los dispositivos móviles en cuanto a conectividad Bluetooth se refiere, por ello es necesario que si el móvil es reciente se instale la aplicación más reciente de “Blue Term” para evitar conflictos de comunicación entre el dispositivo móvil y el módulo HC-05. La colocación del Opto acoplador fue imprescindible para poder aislar las etapas, ya que el Micro controlador opera con un valor de voltaje diferente al que requiere la bobina L1 para funcionar. Para lograr la comunicación entre el Módulo Bluetooth y el Micro controlador PIC18F4550 es necesario conectar físicamente el pin de Transmisión (Tx) del Módulo HC-05 al pin de Recepción (Rx) del Micro controlador. En el código de programación es necesario establecer que tipo de comunicación y las características de ella. La variable denominada “clave” en la Figura 2.1 debe ser de tipo char (carácter), ya que el usuario tecleara un código de 4 dígitos, los cuales son considerados cadena de caracteres. Para añadir más seguridad al sistema es necesario pedir al usuario una contraseña de respaldo cuando a este se le olvide la contraseña que el generó. Siempre que sea necesario que el Micro controlador reciba datos del Módulo es necesario declarar en el código que el Micro controlador debe esperar un lapso de tiempo para que el usuario ingrese los 4 dígitos, y se pueda procesar esto, porque de lo contrario el Micro controlador continuara con las siguientes instrucciones del código, volviendo al sistema ineficiente. En el código del Micro controlador es necesario declarar o inicializar las variables y puertos, así como declarar el tipo de entradas y salidas (digitales o analógicas). Cuando el Micro controlador es extraído de la tarjeta de prueba es necesario revisar las observaciones de la hoja de datos del fabricante para su correcto funcionamiento. 50 Al probar e implementar el sistema para Cerradura (Electromagnética) utilizando módulo bluetooth, queda solucionado la problemática planteada al inicio de este trabajo, es decir, el sistema soluciona el problema que produce una Cerradura convencional al terminar su vida útil, que es, generar gasto económico al tener que adquirir llaves de repuesto para los usuarios. Este sistema permite al usuario cambiar su Cerradura libremente sin la necesidad de adquirir llaves nuevas para poder ingresar a su domicilio, oficina, etc. Si el sistema se implementa para varias puertas (Cerraduras), se puede conseguir abrirlas sin necesidad de diversas llaves, es decir únicamente con un solo teléfono celular. 51 GLOSARIO. Gadgets: En informática un gadget es una pequeña aplicación o programa usualmente presentado en archivos o ficheros pequeños que son ejecutados, teniendo un propósito y una función específica, los gadgets suelen tener un diseño muy ingenioso con tecnología innovadora. Bluetooth: Es una especificación tecnológica para redes inalámbricas de corto alcance que permite la transmisión de voz y datos entre distintos dispositivos. Hardware: Es la parte física de un ordenador o sistema informático, está formado por los componente eléctricos, electrónicos, electromecánicos y mecánicos. Master: Es un término que procede del inglés master, que significa maestro. Slave: Es un término que procede del inglés slave, que significa esclavo. Netbooks: Un netbook es un tipo de computadora (ordenador) portátil. Se diferencia de los tradicionales notebooks o laptops por sus reducidas dimensiones, su funcionalidad limitada y su bajo coste. Desktops: Son computadoras de escritorio de un tamaño conveniente para el uso en un escritorio o una mesa, pero no se han diseñado para ser portátiles. Blue Term: Es una aplicación para Android que es un emulador de terminal vt100 para conectarse a cualquier dispositivo con puerto serie mediante un adaptador bluetooth-serie, es una aplicación open source que nos ayudara a enviar y recibir comandos rápidamente. 52 REFERENCIAS. LIBRO: COMUNICACIONES INALAMBRICAS AUTOR: DAVID ROLDAN EDITORIAL: ALFAOMEGA LIBRO: ELECTRÓNICA III AUTOR: ING. MARCO A. REYES SANCHEZ EDITORIAL: ESIME LINK HOJAS DE DATOS (1)-http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39632e.pdf (2/02/15) (2)-http://botscience.net/store/index.php?route=product/product&prduct_id=70 (30/01/15) (3)-http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/vishay/83725.pdf (6/02/15) (4)-http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/fairchild/TIP41.pdf (28/02/15) (5)- http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/mcc/BC556B.pdf (28/02/15) (6)- http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm7805c.pdf(30/01/15) (7)- http://pdf.datasheetcatalog.net/datasheet2/f/0x9hgg5t9yo70xu4949099II8wy.pdf (8)-http://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/curso_enica/curso.htm (2/02/15) (9)-http://www.blogelectronica.com/conceptos-de-la-tecnologia-bluetooth/ (8/02/15) (10)-http://etecnologia.com/gadgets/funcionamiento-bluetooth (8/02/15) (11)-http://botscience.net/store/index.php?route=product/product&product_id=70 (5/02/15) (12)-http://www.abc.es/tecnologia/moviles/20141021/abci-bluetooth-historia-futuro201410201659.html (8/02/15) (13)https://books.google.es/books?id=rQmH6IKyvigC&pg=PA6&dq=bluetooth+espa%C3%B1ol& hl=es&sa=X&ei=lQ- 53 3VJzPMYiMNuL8gIgK&ved=0CD4Q6AEwAw#v=onepage&q=bluetooth%20espa%C3%B1ol& f=false (4/02/15) (14)https://books.google.es/books?id=xlaIac8YXvUC&pg=PA150&dq=historia+del+bluetooth&hl= es&sa=X&ei=zBO3VK-ZKMOzyATvYC4DQ&ved=0CCUQ6AEwAQ#v=onepage&q=historia%20del%20bluetooth&f=false (22/01/15) (15)-http://www.geekfactory.mx/radio/bluetooth-hc-05-y-hc-06-tutorial-deconfiguracion/(9/02/15) (16)-http://www.electronicoscaldas.com/módulos-rf/452-módulo-bluetooth-hc-05.html (9/02/15) (17)-http://www.electronicoscaldas.com/optoacopladores/221-optoacoplador4n25.html(22/01/15) (18)-http://bdistancia.ecoesad.org.mx/?articulo=los-dispositivos-moviles-factores-aconsiderar-en-el-rediseno-de-unidades-de-aprendizaje-del-politecnico-virtual(30/01/15) (19)-http://www.alegsa.com.ar/Dic/dispositivo%20movil.php (30/01/15) (20)- http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/PowerInnovations/mXrzqtw.pdf (03/09/15) 54
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