Laboratorio N° 3

Sistema de seguridad digital

Fase 3: sensores y actuadores digitales

Competencias específicas de la sesión:

-conocer el funcionamiento de los sensores digitales

-conocer el funcionamiento de los actuadores digitales

-diseñar un sistema de seguridad para el hogar

A) Marco teórico:

a)  Sensor de Agua (lluvia)

Este tipo de sensores detectan la presencia de lluvia por la variación de conductividad del sensor al entrar en contacto con el agua.

Constructivamente son sensores sencillos. Se dispone de dos contactos, unidos a unas pistas conductoras entrelazadas entre sí a una pequeña distancia, sin existir contacto entre ambas. Al depositarse agua sobre la superficie, se pone en contacto eléctrico ambos conductores, lo que puede ser detectado por un sensor.

Ambos modelos se envían con una placa de medición estándar con el comparador LM393, que permite obtener la lectura tanto como un valor analógico como de forma digital cuando se supera un cierto umbral, que se regula a través de un potenciómetro ubicado en la propia placa.

Los valores analógicos medidos varían desde 0 para una placa totalmente empapada, a 1023 para una placa totalmente seca.

b )      Sensor de flama.

Un sensor de llama óptico es un dispositivo que permite detectar la existencia de combustión por la luz emitida por la misma y esta luz puede ser detectada por un sensor óptico.

Este tipo de sensores de llama infrarrojos suelen incorporar una placa de medición estándar con el comparador LM393, que permite obtener la lectura tanto como un valor analógico como de forma digital cuando se supera un cierto umbral, que se regula a través de un potenciómetro ubicado en la placa.

c )     Sensor de sonido:

Este es un sensor de sonido muy simple. El mismo está compuesto por un micrófono, un amplificador LM393 y un preset. Cuenta con dos salidas, una digital y la otra analógica.

El pinout de este sensor es muy simple. Cuenta con cuatro terminales, los cuales estan serigrafiados en la placa. Estos son:

Ø  AO = Analog Output

Ø  GND = Ground

Ø  VCC = Alimentación de 3.3V a 12V

Ø  DO = Digital Output

Lo interesante de este sensor, es que la señal que nos entrega es digital y analógica, lo cual nos permite decidir cual utilizar segun nuestras necesidades. Si necesitamos saber el valor del sensor, podremos utilizar directamente la salida analógica para conseguir los datos crudos. Sino, podemos utilizar la salida digital, la cual se activa o se desactiva según si el sensor llega a medir la intensidad del sonido que le configuremos, mediante la definición de la sensibilidad del sensor.

d )    Sensor de proximidad:

Módulo Sensores de proximidad tiene orden interna transmisor de infrarrojos y el receptor que emite energía de IR; se ve para la energía IR reflejada para detectar la presencia de cualquier obstáculo en la parte frontal del módulo sensor. El módulo tiene el potenciómetro de la tarjeta que permite al usuario ajustar el rango de detección. El sensor tiene una respuesta muy buena y estable incluso con luz ambiente o en completa oscuridad.

Características

Ø  Circuito detetction basado LM393 Comparador es muy estable y precisa

Ø  Potenciómetro establece rango de detección de obstáculos

Ø  Indicador LED de alimentación

Ø  Indicador LED Detección Obsatcle

Distribución de los pines

Ø  VCC: 3.3V-5V

Ø  GND:pin de tierra o negativo.

Ø  OUT: salida digital.

e ) Sensor de Gas :

El módulo sensor de gas analógico (MQ-6) se utiliza en la detección de fugas de gas de equipos en los mercados de consumo y la industria, este sensor es adecuado para la detección de GLP, i-butano, propano, metano, tiene una alta sensibilidad, un tiempo de respuesta rápido y dicha sensibilidad puede ser ajustada por el potenciómetro.

Características:

Ø  Necesidades de alimentación: 5V

Ø  Tipo de interfaz: Analógico.

Ø  Pin Definición: 1-salida, 2 GND, 3-VCC

Ø  Amplio alcance de detección.

Ø  Respuesta rápida y alta sensibilidad.

Ø  Baja sensibilidad al alcohol y al humo

Pines

Ø  VCC ↔ 2.5V ~ 5.0V

Ø  GND ↔ tierra

Ø  AOUT ↔ MCU.IO (salida analógica)

Ø  DOUT ↔ MCU.IO (salida digital)

      f )       Sensor Magnético:

Se trata de un sensor que forma un circuito cerrado por un imán y un contacto muy sensible que al separarse, cambia el estado (se puede programar como NC o NA) provocando un salto de alarma. Se utiliza en puertas y ventanas, colocando una parte del sensor en el marco y otra en la puerta o ventana misma.

g )   Módulo Relé de potencia

El relé o relevador es un dispositivo electromagnético. 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.

Características:

Ø  Voltaje entrada: 5 V

Ø  Voltaje de control:3 ~ 9 V

Ø  Voltaje de salida: 250 VCA o 30 VDC

Ø  Corriente a la salida: 10 A

Terminales:

Ø  VCC – Voltaje de entrada de 5 V

Ø  IN – Voltaje de entrada de 3.3 V

Ø  GND – Tierra común del circuito

B) Tareas realizadas en el laboratorio

En el laboratorio experimentamos cómo funcionan los siguientes sensores.

1)    sensor de agua:  este sensor detecta el agua y tiene una entra a la fuente y la otra a tierra y una salida digital.

Como se ve en la imagen esta prende una luz en señalar que detecto el agua.

2)    sensor de flama: este sensor da una señal cuando hay fuego y tiene una entrada que va a la fuente y otra a tierra y además una señal digital.

3)sensor de sonido: este sensor detecta cuando hay sonido y además tiene un tiene dos salidas que son una digital y la otra analógica.

4)sensor de proximidad: el sensor da una señal cuando detecta un acercamiento en el punto donde se encuentra dicho sensor. Este se puede graduar a que distancia quieres que detecte algo.

5)sensor de gas: el sensor detecta la presencia de gas. Además, tiene una salida digital y la otra analógica.

Como se puede apreciar en la imagen cuando prende la luz da la señal de presencia de gas.

6) sensor magnético: este sensor más sencillo tiene una entrada y salida.

7) Sensor relé de potencia: este sensor funciona como un amplificador tiene dos salidas una digital y la otra analógica.

C) Video explicativo

D) Problema reto planteado:

SISTEMA DE SEGURIDAD DOMÉSTICA

En una residencia del Paucarpata se ha detectado 4 robos consecutivos en los últimos 2 meses (sustracción de todos los artefactos electrónicos de la sala principal de la casa), por la cual el dueño  de dicha casa  ha dispuesto mejorar las medidas de seguridad para solucionar el problema, y para ello se ha decidido implementar una alarma de seguridad (sirena y lámpara, como indicadores de que algo está sucediendo).

Para ello se tomará en cuenta las siguientes condiciones:

-          Los habitantes descansan   desde las 10 pm hasta las 5 am, por lo que la alarma se activará en ese lapso de tiempo, y se accionará partir de un interruptor colocado en la habitación del dueño.

-          Se colocará dos sensores: uno de proximidad el cual  en caso de detectar la presencia de algún intruso, activará sólo el led contra robo.

-          Y el sensor de sonido al escuchar algún ruido,  se activará, prendiendo la sirena y la lámpara indicadora  contra robo.

-          Además se colocará un sensor magnético en la puerta principal, el cual al detectar que se abra, se activará solo la sirena.

ENTRADAS:

Interruptor : para activar la alarma :  

0: cuando esta desactivado

1 : cuando está activado

Sensor Magnético :

1 : cuando esta las puertas están cerradas

0 : cuando las puertas están abiertas

Sensor de proximidad :

1: cuando no haya nadie cerca

0: cuando detecta a alguna persona cerca

Sensor de sonido:

0 : cuando la habitación esté en silencio

1 : cuando se escuche algún ruido sospechoso.

SALIDAS:

-          Sirena

-          Lámpara indicadora contra robo

Tabla de verdad

Interruptor = I

Sensor Magnético: M

Sensor de proximidad : P

Sensor de sonido: S

Sirena = A

Lámpara indicadora contra robo : L

E) Conclusiones y observaciones

Observaciones:

Ø  Algunos sensores trabajados en clase tienen poco alcance para la lectura de datos, por lo que si se requiere implementarlo en un algún lugar en especial, como por ejemplo una industria, se deben trabajar con sensores mucho más sofisticados.

Ø  El modulo relé es de suma importancia en etapas de potencia, ya que con solo 5 v, se podría permitir la activación de otros dispositivo que trabaja a mayor voltaje.

Ø  Es importante conocer las terminales de un sensor y de cómo se conectan, ya que  de conectarlo inapropiadamente se dañaría dicho dispositivo.

Ø  Todos los sensores utilizados en laboratorio  tenían el mismo voltaje de entrada, que fue de 5v brindados por el entrenador.

Conclusiones:

Ø  Los sensores son dispositivos capaces de detectar algún tipo de magnitud física o química, y transformarla en variables eléctricas.

Ø  Los sensores se pueden clasificar en función de su salida ( DO,AO), es decir, sensores digitales y sensores analógicos.

Ø  Los actuadores son dispositivos activados por un controlador y que dan una salida requerida, como por ejemplo: un motor, una lámpara, etc.

Ø  El uso de sensores es de suma importancia en nuestra actualidad, y estos también pueden ser utilizados con módulos de desarrollo, como por ejemplo, el Arduino.

F) bibliografía y web recomendada

·         Floyd, Thomas (2006) Fundamentos de sistemas digitales.  Madrid.: Pearson Educación (621.381/F59/2006) Disponible Base de Datos Pearson

·         Mandado, Enrique (1996) Sistemas electrónicos digitales.  México D.F.: Alfa omega. (621.381D/M22/1996)

·         Morris Mano, M. (1986) Lógica digital y diseño de computadoras.  México D.F.:  Prentice Hall (621.381D/M86L)

·         Tocci, Ronald (2007) Sistemas digitales: Principios y aplicaciones.  México D.F.: Pearson Educación. (621.381D/T65/2007) Disponible Base de Datos Pearson

F) Foto de los integrantes

-Sarmiento Condori ,Jimmy

-Salas Rayan, Abat

-Sejje Yucra , Fernando

LABORATORIO N°2

Sistema de seguridad digital

Fase 2: simplificación e inplementación físico

de circuitos lógicos.

Competencia especifica de la sesión.

·         Simplificar funciones lógicas utilizando Mapas de Karnaugh.

·         Implementar y probar funciones lógicas.

·         Conocer las principales Familias lógicas: TTL y CMOS

  

       A) Marco teórico:

Teoría de Simplificación de Funciones mediante mapas de Karnaugh

Los Mapas de Karnaugh son una herramienta muy utilizada para la simplificación de circuitos lógicos. Cuando se tiene una función lógica con su tabla de verdad y se desea implementar esa función de la manera más económica posible se utiliza este método.

El agrupamiento de ceros 0 y unos 1 dentro del mapa te ayuda a visualizar las relaciones lógicas entre las variables y conduce directamente a una función booleana simplificada. El mapa de Karnaugh es a menudo usado para simplificar los problemas lógicos con 2, 3 o 4 variables. Un mapa de Karnaugh de 2 variables es trivial pero puede ser usado para introducir el método que necesitas aprender.

Los valores de una variable aparecen sobre la parte superior del mapa, definiendo los valores de la columna, mientras los valores de la otra variable aparecen a un lado, definiendo los valores de la variable en cada fila. El mapa de Karnaugh se va completando colocando los unos “1” en la celda apropiada, ayudados por la tabla de verdad. Esta agrupación es conocida como minitérminos o minterms y como expresión booleana viene a ser una suma de productos. Usualmente no se escriben los ceros “0” en la tabla, ya que solo se agrupan los unos “1”. En el mapa las celdas adyacentes que contienen unos 1 se agrupan de a dos, de a cuatro, o de a ocho. En este caso, hay un grupo horizontal y otro vertical que puede agruparse de a dos. Se indican los agrupamientos dibujando un circulo alrededor de cada uno “1”.

El grupo horizontal corresponde al valor de B = 1, y esta variable no cambia de valor, se mantiene. En esta misma fila, en la celda de la izquierda A = 0 y en la de la derecha A = 1, es decir la variable A cambia de valor. En otras palabras el valor de la variable A no afecta al resultado final de la expresión booleana para estas celdas. Antes de agruparlas, deberías haber escrito la expresión booleana para estas dos celdas como: A . B + A . B .

Después de agruparlas esta misma expresión se reduce a: B .

De una forma similar, el grupo vertical de dos celdas podría haber sido escrito como: A . B + A . B.

Desde el mapa, puedes ver que el valor de B no afecta el valor escrito en las celdas para este grupo. En otras palabras, el grupo vertical se reduce a: A .

De esta manera, el mapa de Karnaugh conduce a la expresión final: A + B .  Esto no es muy emocionante, pero si se aplica el mismo método a un problema de lógica más compleja, comenzarás a entender cómo el mapa de Karnaugh conduce a simplificar las funciones booleanas.

        B)  Tareas realizadas en el laboratorio.

El primer lugar hicimos una tabla de verdad, para así saber con que valores funcionaria la bomba para que este funcionara correctamente.

El motor solo funciona en tres casos particulares  en los demás casos sale como denegado o el valor cero.

Como se puede apreciar en las siguientes imágenes que esta simulado en el programa de proteus.

A continuación vemos ya en físico la simulación que hicimos en el programa proteus que solo enciende en tres casos particulares como se aprecia en la siguientes imágenes.

C) Video explicativo

D)  Observaciones y conclusiones.

Observaciones:

Ø  Cuando se requiera una compuerta AND de  tres entradas, esta pueda ser reemplazada por  dos compuertas AND de doble entrada cada una, tal como se realizó en el armado del laboratorio.

Ø  Cuando se obtuvo la ecuación simplificada mediante el mapa de Karnaugh, observamos que esta se podía todavía factorizar algunos términos, por consiguiente se obtuvo que en el diagrama del circuito se necesitará menos compuertas que en la ecuación sin factorizar.

Ø  Para el desarrollo de este laboratorio se uso en la compuerta lógica NOT cuyo circuito integrado es el 7404

Ø  Una puerta lógica NOT realiza la función booleana de inversión o negación de una variable lógica .una variable lógica A ala cual se le aplica la negación se pronuncia “A NEGADO”

Ø  Con las compuertas lógicas también se puede hacer varias combinaciones. En cada microchip podemos en contra varias compuertas lógicas ya incrustadas en él. Solo debemos saber cuál es su entrada y salida.

Ø  A la hora de armas el circuito debemos tener en cuenta cuáles son sus entradas y salidas de cada compuerta lógica yaqué este es importante para el armando del circuito.

Conclusiones:

Ø  Cuando obtenemos la ecuación lógica a partir de la tabla de verdad, esta puede ser simplificada con la ayuda el mapa de Karnaugh, para esto es importante saber como agrupar los 1.

Ø  Para agrupar primero, se tiene que ver si hay 8 unos juntos, luego 4 unos juntos, 2 unos juntos hasta un 1 solo, es decir en una progresión geométrica.

Ø  Cuando en el circuito se tiene mas de una salida, se debe encontrar una ecuación lógica para cada una de ellas, y simplificarlas de manera independiente con la ayuda del mapa de Karnaugh.

Ø  Con el mapa de Karnaugh podemos minimizar expresiones que contengan seis o menos variables

Ø  Con la implementación de un circuito lógico  se puede automatizar un proceso para aumentar la flabilidad, el control, la eficiencia o productividad y la flexibilidad de un proceso.

Ø  A la hora de hacer la simplificación esta nos permite que usemos menos compuertas lógicas yaqué este sería mucho más fácil de armar y utilizaríamos menos materiales.

Ø  Para la simplificación de la ecuación lógica también se puede utilizar la algebra booleana.

E)  Bibliografía y web recomendado.

-Floyd, Thomas (2006) Fundamentos de sistemas digitales.  Madrid.: Pearson Educación (621.381/F59/2006) Disponible Base de Datos Pearson

-Mandado, Enrique (1996) Sistemas electrónicos digitales.  México D.F.: Alfaomega. (621.381D/M22/1996)

-Morris Mano, M. (1986) Lógica digital y diseño de computadoras.  México D.F.:  Prentice Hall (621.381D/M86L)

-Tocci, Ronald (2007) Sistemas digitales: Principios y aplicaciones.  México D.F.: Pearson Educación. (621.381D/T65/2007) Disponible Base de Datos Pearson. 

F) Foto de los integrantes 

-Sarmiento Condori ,Jimmy

-Salas Rayan, Abat

-Sejje Yucra , Fernando