Taller N°3: Sensores de seguridad digital

Sensores y actuadores digitales

1. Sensores digitales:

Los sensores son dispositivos con la capacidad de detectar las distintas variables físicas dentro de un entorno, estos “estímulos” son transformados en señales eléctricas los cuales pueden ser usados para dar, por ejemplo, la medición de la temperatura de un cuarto, la velocidad a la que se transporta un objeto, la altura a la que se encuentra, etc.

Los sensores digitales son aquellos sensores los cuales pueden transformar alguna variable física en una señal eléctrica la cual varía entre dos estados de 5v y 0v, lo que en la lógica digital conocemos como 1 y 0 correspondiente al lenguaje binario que los sistemas digitales hacen uso. A continuación, se nombraran algunos sensores, su funcionamiento y plano esquemático:

• Sensor de agua (lluvia)
• Nombre: 
• Sensor de agua T1592P para arduino

• Funcionamiento:
• Este es un sensor capaz de detectar la presencia de lluvia gracias a que dispone de dos contactos entrelazados, pero sin entrar en contacto entre ambos, los cuales mediante la variación de voltaje al cerrarse el circuito por la presencia de humedad es capaz de dar una señal ya sea analógica o digital (dependiendo del tipo de sensor), en el caso de los sensores digitales sólo son capaces de detectar la presencia de agua ya que la señal de salida cuando se sobrepasa cierto umbral de humedad dando como resultado una señal  LOW o  0 cuando no hay presencia de lluvia y HIGH o 1 cuando existe hay la presencia de lluvia; en el caso de los sensores analógicos son capaces de medir la cantidad de humedad presente ya que la señal de salida varía en un amplio rango el cual puede ir desde 0 cuando la placa está totalmente mojada hasta 1023 cuando la placa esta seca, este rango da la posibilidad de medir solo la cantidad de humedad en el ambiente pero no la cantidad de agua acumulada. Algunas placas se les puede modificar la sensibilidad con la que detectan la humedad gracias a que incorporan un potenciómetro con el que pueden modificar la intensidad de la señal de salida.
• Descripción de los terminales de entrada / salida y conexion:
• Este es un sensor analógico el cual dispone de 3 terminales de conexión.
• Los dos primeros terminales son de entrada, los cuales son de energía (5v) y tierra (GND) estos están ubicados en los extremos.
• El tercero corresponde al terminal de salida de señal analógica, este terminal está ubicado en medio de los terminales de energía y tierra.
• Algunos sensores poseen la característica de poder realizar conexiones tanto digitales como analógicas.

• Video demostrativo:

• Sensor de flama (Fuego) infrarrojo
• Nombre: Sensor de flama (fuego) infrarrojo KY-26

• Funcionamiento:
• Este sensor funciona detectando y midiendo la emisión de luz infrarroja asociada al calor producto de la combustión, la longitud de onda infrarroja emitida por la combustión varía dependiendo del material que se esta consumiendo, liberando un rasgo distintivo el cual el sensor recoge y emite una señal dependiendo del rango al que esté calibrado, este rango puede ir desde longitudes de onda de 4400nm-4600nm, este rango de medición da como resultado una señal analogica y digital, las cuales se pueden usar para determinar la presencia de combustión y la temperatura
• Descripción de los terminales de entrada / salida y conexion:
• Este es un sensor el cual es capaz de emitir una señal digital y analógica, por lo cual dispone de 4 terminales de conexión dos de entrada y dos de salida de señal.
• Dos terminales de entrada corresponden al de energía los cuales pueden ir desde los (3 ~ 5v) y la conexión a tierra (GND), estos están ubicados en el extremo izquierdo de la placa.
• Los dos termines de salida corresponden a la salida de señal digital y analógica, están ubicados en el extremo derecho de las terminales.

• Video demostrativo

      2.  Actuadores digitales:

Los actuadores son aquellos dispositivos los cuales mediante la fuerza neumática, hidráulica o motriz le permite al sistema “actuar” o “interactuar” con el mundo real, realizando alguna acción deseada.

Los actuadores se pueden dividir en dos clases los digitales los cuales solo poseen dos estados de acción y los analógicos los cuales dependiendo del rango de señal estos realizan acciones de acuerdo a estos rangos como por ejemplo las revoluciones de un ventilador. A continuación, se va a presentar algunos actuadores:

• Modulo rele
• Nombre: Modulo rele para arduino

• Funcionamiento:
• El módulo relé es un interruptor que se puede activar mediante una señal eléctrica digital, esto acciona un electro-imán que cuando es excitado mueve el contacto eléctrico de conectado a desconectado o viceversa, dando paso energía AC O DC a un sistema que requiera de un consumo eléctrico mayor.
• Descripcion de los terminales de entrada / salida y conexion:
• Este actuador posee 6 puestos de conexión, los cuales tres corresponden a puertos de entrada y 3 puertos de conexión eléctrica.
• Los puertos de entrada se encuentran en la parte posterior de la placa y corresponden l de energía (5v), tierra (GND), y señal.
• Los puertos de conexión pertenecientes al relé se encuentran en el lado opuesto de la placa y corresponden a las conexiones común, siempre abierto y siempre cerrado del relé.

• Video demostrativo:

• Servomotor
• Nombre: Servomotor SG90

• Funcionamiento:
• El servomotor es un motor DC con la capacidad de ubicar su eje en una posición o ángulo determinado, internamente posee una caja reductora la cual aumenta el torque y reduce la velocidad, un potenciómetro se encarga de censar la posición del eje y una pequeña tarjeta electrónica que junto al potenciómetro forman un control de lazo cerrado, dependiendo de la señal PWM se puede determinar el ángulo de giro del eje del servomotor.
• Descripcion de los terminales de entrada / salida y conexion:
• Este actuador funciona mediante una conexion de 3 puertos de entrada los cuales se conectan a la placa de control (arduino) mediante un cable terminado un un plug de conexion.
• El cable de conexion esta identificado por un código de 3 colores.
• Cable marrón: tierra (GND).
• Cable rojo: energía, los servomotores pueden ser accionados dentro de un rango de 3~8v.
• Cable amarillo: señal analogica.

• Video demostrativo:

   3. Planteamiento de problema y solución

Se desea crear un sistema de riego automático para un pequeño jardín, este sistema de riego automático debe de cumplir con los siguientes requisitos y condiciones para su funcionamiento, como también para lograr el mayor ahorro de agua posible:

• El sistema se activa cuando la célula fotovoltaica detecta si es de noche.
• El sistema se activa cuando el sensor de humedad que está ubicado en la tierra detecta que esta se encuentra seca.
• Cuando el tanque esté vacío, el sensor de humedad dentro de este detiene de forma instantánea todo el sistema.
• Cuando el tanque esté vacío, se enciende una lámpara indicando su estado.

El circuito cuenta con las siguientes entradas:

A: Señal del sensor del tanque

Tanque lleno: 1, Tanque vacío: 0

B: Señal de la célula foto eléctrica

Día: 1, Noche: 0

C: Señal del sensor de la tierra

        Tierra húmeda: 1, Tierra seca: 0

Y: Señal que acciona la bomba de agua

        Bomba de agua activa: 1, Bomba de agua desactivada: 0

      La lámpara que indica el estado del tanque corresponde a la simple negación emitida por el sensor de humedad presente en el tanque de agua, por lo que implementando en el simulador:

Sistema regando

Sistema detenido por falta de agua

  4. ¿Qué aprendí de esta experiencia?

Aprendí que existe una amplia gama de sensores los cuales pueden ser empleadas para una gran cantidad de entornos, ya sea para determinar el estado de este o solo para tener un control del mismo, también es que estos sensores pueden ser empleados en conjunto para una tarea específica, como por ejemplo un dron capaz de determinar la concentración de gases dentro de una recamara con o también determinar la temperatura, etc. Esto sin exponer a las personas a tal entorno hostil. También si esto es usado en conjunto con actuadores como, por ejemplo, un conjunto de servomotores para mover un brazo mecánico, con la finalidad de manipular algún material nocivo, da las posibilidades de crear sistemas los cuales pueden facilitar el trabajo para las personas dentro de un entorno especifico o condiciones específicas.

Descarga de informe completo (recomendado): https://mega.nz/#!FRUxFIbC!RG8FA34aFMSw1hiG-0eNLQ-hoOz4w6e3DshmuQvzrDg

Simulación del circuito: https://www.tinkercad.com/things/6PGQliMZWXt

Taller N°2: Simplificación e implementación de circuitos Lógicos

Simplificación e implementación de circuitos lógicos

Simplificación por Mapa de Karnaugh:Para el empleo del mapa de Karnaug se hace uso de:La simplificación de funciones mediante el mapa de Karnaugh o mapas K es un método gráfico por el cual se puede simplificar funciones lógicas booleanas de hasta 4 variables, con este método se puede lograr el diseño más simple de un circuito en donde se obtendrían beneficios como un tiempo menor de respuesta, costos de producción más económicos y tiempos de fabricación más cortos.

• Cuadro de verdades: En este cuadro se escriben las variables que están presentes en el problema y se desarrolla la función lógica buscada, en esta tabla de escriben 0 y 1 dependiendo del funcionamiento del circuito a trabajar, donde se puede decir que 0 es cuando el circuito está abierto y 1 cuando el circuito está cerrado.

• Para obtener la ecuación lógica solo se toman en consideración aquellas que funciones en la señal de la salida (F) sea 1, por lo que obtendremos:

• Mapa de Karnaugh: En este cuadro se anotan las variables de la ecuación resultante del cuadro de verdades, con lo que se quiere obtener con este cuadro es lograr simplificar la ecuación del cuadro de verdades lo máximo posible para su implementación en un circuito físico, sin el gasto desmedido de recursos.

• Una vez posicionados las variables se busca agrupar las salidas 1 en donde se busca realizar grupos de “1”, la finalidad es conseguir el menor número de grupos con la mayor cantidad de “1” dentro, estos grupos pueden tener 1, 2, 4, 8, etc. “1” s (solo potencias de 2). Estos deben estar adyacentes (no diagonal), también está permitido el compartir “1” s entre grupos.

• Video y fotos de proyecto realizado en taller
• Simulación circuito de riego 

• Simulación de circuito de riego con lámpara

• Video de proyecto

• Fotos del proyecto

• Observaciones y Conclusiones
• Observaciones:
• La implementación del circuito al entrenador, la manipulación de los CI, se ha tenido que realizar con sumo cuidado ya que los pines de conexión se pueden dañar con facilidad.
• Si se quiere lograr que la lámpara encienda cuando el tanque esta vacío tanto de noche como de día, esto resultaría en una conexión directa a desde el sensor del depósito a la lámpara ya que no se estaría tomando en consideración el hecho si es de día o noche.
• Al agregar la lámpara con la condición que se encienda si es de hecho y el tanque esta vacío, implica que es una salida independiente al sistema de riego automático por lo que no existe necesidad de implementar ambas ecuaciones un una sola.
• Se puede hacer uso de dos puertas lógicas 7408 interconectadas para logar el mismo funcionamiento de una puerta lógica 4073.
• Conclusiones:
• Se puede hacer uso de las mismas señales de entrada para múltiples tareas o señales de salida que sean independiente a la función principal, pero que siempre respeten las condiciones de cada señal de entrada, como la vista al agrega la lámpara.
• Este es un sistema “tonto” porque hace uso de sensores los cuales actúan sin ningún criterio, si se quiere hacer que el sistema de riego automático funcione con condiciones más específicas se puede hacer uso de circuitos lógicos más complejos, sensores más especializados o de módulos de control y con el uso de programación se puede hacer que el circuito se accione bajo condiciones más precisas, como por ejemplo hacer que se encienda la bomba en determinadas horas del día o que mantenga de forma constante y especifica la humedad de la tierra.
• Se puede llamar que un circuito es eficiente solo cuando este el simplificado a su máxima expresión, para hacer uso de la mínima cantidad de componentes para su funcionamiento.
• Se puede hacer uso de las operaciones booleanas para simplificar las ecuaciones lógicas obtenidas del cuadro de verdad, pero la manera más simple y rápida es mediante el mapa de Karnaugh, pero este está limitado a un número específico de variables, por lo que lo hace indicado para circuitos con un numero bajo de variables.
• ¿Que he aprendido de esta experiencia?
• Aprendimos que sistemas tan básicos como el de un sistema de riego automático, puede ser realizado mediante la implementación de una ecuación booleana básica, la cual reducida a su maxima expresión puede dar paso a un sistema simple e eficiente para una tarea concreta y si a este sistema se le agregan más funciones, que venían siendo lo mismo que agregar más variables a la ecuación, se obtiene un sistema de más complejidad capaz de realizar múltiples tareas o tareas más complejas.
• Simulación de proyecto realizado en taller:  https://www.tinkercad.com/things/9rewRI99LV0
• Descarga de informe completo (Recomendado):  https://mega.nz/#!ZFsGXSxK!M5dVouldqkXvwbsXh5uu6MVLWTxFeFSviiOaYySg8t0

Taller N°1: Puertas Lógicas

Puertas Lógicas 

Las puertas lógicas son circuitos integrados no muy distinto en apariencia del resto de circuitos integrados, pero estos realizan operaciones lógicas básicas, basadas en las funciones booleanas o en otras funciones matemáticas simples, de acuerdo a las funciones que cada circuito realice. Las puertas lógicas internamente es un chip en el cual se integra circuitos de conmutación, estos circuitos de conmutación están compuestos de una serie de contactos los cuales representan las variables lógicas de entrada y salida.

Las puertas lógicas son abiertamente usadas en múltiples áreas donde se hace uso de sus principios lógicos, como: electrónica digital, hidráulica, neumática, mecánica. Siendo la electrónica digital el medio donde es más ampliamente utilizado ya que supone el principio básico del funcionalmente de todo dispositivo electrónico. En la electrónica digital las puertas lógicas permiten el cálculo de 2 variables las cuales son identificadas como “0” y “1”, esto se debe a que los circuitos digitales funcionan dentro de un rango de 0 voltios a 10 voltios, donde “0” es cuando el circuito está recibiendo una señal de 0 voltios (sin carga) y “1” es cuando está recibiendo una señal de 10 voltios; en el campo de la electrónica digital esto es identificado como lenguaje binario y supone el lenguaje lógico más básico de la electrónica.

El medio de identificación de las puertas lógicas es mediante la identificación y lectura del código de identificación único para cada tipo de puerta lógica, ejemplo: Puerta lógica T74LS32B1 o simplificado 7432.

Puerta lógica 7432

11.   Puerta lógica directa

1.1. Puerta Buffer (SI)

Puerta lógica donde su señal de salida es siempre la misma que la señal de entrada, su ecuación por la cual se puede calcular su funcionamiento es la siguiente:

F=A

1.2. Puerta AND (Y)

Puerta lógica donde su señal de salida está condicionada cuando recibe dos señales de entrada, en caso que solo reciba solo una señal de entrada se niega la señal de salida, su ecuación define que la señal de salida es el resultado del producto lógico entre ambas señales de entrada:

F=A*B

1.3. Puerta OR (O)

Puerta lógica en donde su señal de salida está condicionada cuando al menos recibe una señal de entrada, se ecuación define que la señal de salida es el resultado de una suma lógica de ambas señales de entrada:

F=A+B

22. Puerta lógica negada

2.1. Puerta NOT (NO)

Puerta lógica en donde su señal de salida es directamente lo opuesto a su señal de entrada, su ecuación por la cual se puede calcular su funcionamiento es:

2.1. Puerta NAND (NO-Y)

Puerta lógica en la que su señal de salida es la inversa al producto lógico de las señales de entradas, en términos simples su señal de salida es lo opuesto a la señal de salida dada por la puerta AND, su ecuación de funcionamiento está dada por:

2.1.Puerta NOR (NO-O)

Puerta lógica en la que su señal es la inversa del resultante de la suma lógica de las dos señales de entrada, en términos simples su señal de salida es lo opuesto a la señal de salida dada por la puerta OR, su ecuación de funcionamiento está dada por:

Encendido de un grupo electrogeno

Para poner en marcha un motor se requiere tres interruptores (a,b,c) de tal forma que el funcionamiento del mismo se produzca únicamente las siguientes condiciones:

·  Cuando estén cerrados A y B, pero no lo esté C.

·  Cuando estén cerrados B y C, pero no lo esté A.

·  Cuando estén cerrados los tres interruptores simultáneamente.

Tabla de verdad

Simulación mediante PROTEUS

Implementación de circuito en entrenador

Enlace a simulador: https://www.tinkercad.com/things/5T0hDaitdJ6

Informe completo: https://mega.nz/#!JMF3mCzT!aPJsDlB251vJI6akaOOksmVryJ9_SB80f-CFpp7NAg0
Video: