CAPÍTULO IV
ANÁLISIS DE RESULTADOS
A. SITUACIÓN ACTUAL.
En la actualidad el creciente avance tecnológico genera a su vez, un aumento en la velocidad del desempeño de la vida diaria, tanto en el campo personal, el industrial, o el de negocios, debido a la existencia de nuevos y mejores medios de comunicación que aceleran la velocidad y el desarrollo de las actividades del hombre. Por lo que se amerita una forma rápida del control de eventos en forma distante como, encender el fax que se ha dejado apagado, encender las luces del negocio sin necesidad de estar presente, entre otras cosas.
Por otra parte existen problemas de diferentes índoles que no tienen soluciones prácticas y económicas como lo es el encender o apagar las luces de la casa, cuando se está de viaje, el encender el aire acondicionado momentos antes de llegar al hogar o a la oficina y contar con esta comodidad sin desperdicio económico, esto entre un sin fin de situaciones que no poseen una solución practica o en su defecto que no ocasione la dependencia de un tercero para ello. Es por eso que es necesario el desarrollo de un sistema que sea versátil, de fácil instalación y que además sea económico, por lo que implica el aprovechamiento de sistemas ya
90
existentes como la línea telefónica y la red de energía eléctrica como medio de trasmisión de una señal de control para lograr un sistema de interface que solucione la problemática planteada.
B. ESTRUCTURA ORGANIZACIONAL.
La interface electrónica para el control de artefactos eléctricos se desarrolla de tal forma que sea de fácil implantación y operación brindando una solución al control de eventos a distancia.
La metodología empleada para el desarrollo del sistema es la propuesta por José M. Angulo (1984) ya que proporciona un método ordenado para resolver problemas de diseño electrónico, la cual está estructurada en las siguientes fases:
FASE I: “Definición de las Especificaciones del proyecto”.
Para la solución del problema planteado en el transcurso de esta investigación, es necesario definir ciertas especificaciones técnicas que
guiarán en la construcción de un prototipo de interface electrónica por lo que se toman en cuenta los siguientes aspectos: Para que la interface sea de fácil implementación y sea versátil se aprovecharan recursos existentes como la red telefónica y la red de energía eléctrica. El sistema debe contar con un medio de enlace entre el usuario y la interface electrónica en sí, para ello se ha considerado el aprovechamiento de un enlace telefónico utilizando como código de comunicación los tonos DTMF como medio de ingreso de los comandos del usuario al sistema, por lo que es necesario el uso de un circuito decodificador DTMF, también el uso de señales de voz digitalizada como respuesta del sistema al usuario, para ello se empleara un circuito digitalizador de voz o playback ( integrado ISD 1420P), además se requiere un medio de comunicación entre la interface y cada uno de los equipos eléctricos a controlar por lo que se toma la idea de transmitir las señales de control a través de la línea eléctrica empleando para ello una transmisión de una señal de 100 KHz dicha señal generada por un circuito integrado 555 ensamblado como un oscilador astable como base, para modularlo en amplitud a todo o nada para enviar la señal a través de la red de energía eléctrica y en cada punto de control un circuito receptor capaz de detectar la frecuencia antes señalada por lo que se emplea un circuito integrado detector de tono monocanal y con una frecuencia central
aproximadamente igual a la del transmisor, se necesita desarrollar un circuito inteligente en cada punto a controlar que interprete la señal de transmisión serial que viaja a través de la red eléctrica por medio de la modulación proveniente del microcontrolador que se encuentra en el sistema de interfaz en la parte a la cual denominaremos central que es la que estará conectada directamente con la línea telefónica y que además posee el oscilador de 100 KHz y en el punto a controlar el circuito total lo denominaremos estación; a efecto de un mejor entendimiento del lector. En resumen el sistema de interface contará con dos partes principales: La central, que cumplirá la función de enlazar al usuario con cada uno de los equipos que desea controlar por lo que ella constará de un circuito decodificador de tonos DTMF, un circuito reproductor digital de voz, un microcontrolador que controla el reproductor digital de voz y otro microcontrolador que tomará las decisiones principales del sistema y como andará cada una de las partes de la central mencionada además de modular el circuito oscilador para transmitir a través de la red eléctrica en forma serial y dicha señal será recibida por la siguientes partes del sistema que recibirán el nombre de estaciones y están constituidas por el circuito decodificador de tono monocanal de 100 KHz y un microcontrolador que tomara las decisiones programadas de encendido o apagado de las cargas de
acuerdo a la información proveniente de la central y por consiguiente del usuario ya que estas dependen del mismo, la activación y desactivación de cargas se llevará a cabo por medio de un relee conectado al microcontrolador empleando un transistor, como amplificador de la señal de control. Los circuitos mencionados tendrán sus propias fuentes de energía de 5V.
ESTUDIO DE FACTIBILIDAD.
FACTIBILIDAD TÉCNICA.
Se realizó el estudio de factibilidad técnica para determinar si existen en el mercado recursos para el desarrollo de un sistema de control por medio de una interface electrónica para el control de múltiples artefactos eléctricos, se determinó que en el mercado existen decodificadores DTMF que permite de manera sencilla el empleo del teléfono como medio de comunicación de las órdenes de control hacia el sistema, y además el microcontrolador PIC 16F84 también existente en el mercado el cual posee características técnicas necesarias y suficientes como para ejecutar el control lógico del sistema a desarrollar, brindando además posibilidades de
expansión y modificación. Será empleado para el desarrollo de la estación y la central del sistema empleando uno de ellos para cada estación y dos para la central (la central posee un PIC que controla el reproductor digital y el otro la funciones generales del sistema). Adicionalmente existe en el mercado los integrados de decodificación monocanal de sencillo empleo como también el popular 555 empleado como oscilador.
El uso del Microcontrolador brinda al sistema bajo consumo de potencia y tamaño relativamente reducido y sincronización en las operaciones de control. Además, a esto se le adiciona la fácil instalación por el uso de la línea telefónica como medio de comunicación. Y la red eléctrica como medio de enlace entre la interface y las cargas controladas.
Por todo lo anterior se considera que existe factibilidad técnica ya que existen medios reales para llevar a cabo el proyecto con alta probabilidad de éxito.
FACTIBILIDAD ECONÓMICA.
Este estudio se basó en la relación costo beneficio, contrastando costos relativos con respecto a los beneficios obtenidos. En el estudio de factibilidad técnica realizado para el desarrollo del sistema de interface permitió además evaluar lo siguiente: el costo del componente de mayor peso económico no excede de 8.000 Bolívares, y de este solo se emplean uno en la central, todos los demás componentes empleados tiene un costo inferior. El costo total del sistema depende directamente de la cantidad de artefactos controlados, por lo que el beneficio se considera mucho mayor al costo total (valga la redundancia), además del aprovechamiento del sistema telefónico para comunicación de las señales de control, lo que lo hace muy económico en relación a otros sistemas que necesitan su propio medio de transmisión convirtiéndolos en muy costosos. Se adiciona por otra parte la conveniente propiedad del uso de la línea de energía eléctrica como medio de transmisión de las señales que interactúan en la etapa de potencia, evitando de esta forma el uso de cableados adicionales desde la interfaz a los equipos a controlar. Considerando de esta manera que existe factibilidad económica.
FACTIBILIDAD OPERACIONAL.
La factibilidad operacional consiste en que el sistema plantea una solución factible tanto económicamente como técnicamente, y puesto que no existen en el mercado otros sistemas que proporcionen una mejor solución a la problemática planteada, con una fácil implantación además de sencillo uso, se considera que existe factibilidad operacional.
FASE II: “ Esquema general del Hardware”.
Para el desarrollo del sistema propuesto, es necesario establecer un esquema general del Hardware a desarrollar, para ello se plantea el diagrama de bloques que se ilustra en la Figura No.13.
FIGURA No. 13
Línea Telefónica
FUENTE: Pedro González y Juan Rivero, 2000
Como se observa en la Figura el sistema interface está constituido por tres etapas fundamentales.
ETAPA DE DECODIFICACI
ETAPA DE CONTROL
ETAPA DE POTENCIA
Etapa de Decodificación.
La cual representa la interface entre la línea telefónica que porta la señal de control proveniente del usuario y la etapa de control lógico. Esta etapa de detección está constituida en su totalidad por un codificador de tonos DTMF, que transforma la señal de tono dual en una señal binaria de 4 bits.
Etapa de Control Lógico.
Esta etapa consta de un microcontrolador, que posee la programación necesaria para tomar una decisión de acuerdo a la señal binaria entregada por la etapa de decodificación, y de acuerdo a parámetros preestablecidos en la programación envía una señal que controla la acción de la etapa de potencia.
Etapa de Potencia.
Cumple la función principal de controlar la activación de las cargas a manejar, y está constituida por dos partes principalmente, un sistema de transmisión que se encuentra en la central constituido como oscilador y un transistor como entrada de la señal modulante, que neutraliza la salida del 555 ocasionando una modulación de amplitud de todo o nada y la otra parte
constituida por la estaciones que cumplen la función de la recepción a través de la red eléctrica, por medio de un PIC ubicado en la estación que toma la decisión de acuerdo a la señal serial recibida, a través de la red eléctrica detectada por el codificador de tono monocanal enviando la señal necesaria para activar los relés cuya función es controlar la potencia suministrada a los artefactos eléctricos.
FASE III: “Ordinograma General”.
De acuerdo a las etapas hasta ahora planteadas, el circuito electrónico requiere de un software que debe cumplir con el ordinograma de la Figura No. 14. En el cual el sistema primeramente realiza una inicialización de los puertos del microcontrolador para comunicarse correctamente con su entorno. Luego chequea la ejecución de una llamada, seguidamente verifica que exista una secuencia de tonos válidos que correspondan a la clave de acceso. Posteriormente el sis tema espera dos números validados que le indican cual es la carga que el usuario quiere controlar. La tecla número 2 del teclado telefónico se utiliza quitar energía a la carga, la tecla número 3 es usada para encender la carga o artefacto, y la número 8 se utiliza para
finalizar, manteniéndose en la espera de una nueva llamada. Un contestador electrónico el cual guía al usuario en el uso del equipo para que este ingrese los datos en el orden requerido por el sistema. El sistema además debe cumplir con el ordinograma de la Fig. 15, el cual representa las acciones principales del programa del microcontrolador que se encuentra en la estación
FIGURA No. 14
NO
INICIO
INICIALIZA ENTRADAS /
SALIDAS
LLAMAD A
TONO VALIDO
TONO 1º CODIGO
TONO 4º CODIGO
NO
TONO VALIDO
NO NO
TONO VALIDO
NO
TONO = 3
TONO = 8
NO
SI SI
SI
SI
NO
SI
A
B
SI
SI NO
SI
FUENTE: Pedro González y Juan Rivero, 2000
TONO VALIDO
NO
TONO VALIDO
NO
TONO = 2
TONO = 8
NO
SI SI
NO
SI A
B GUARDA # A
TONO VALIDO
NO
SI SUMA CON A
Y GUARDA A
TONO = 3
NO
ENCENDIDO DE APARATO APAGADO DE
APARATO SI
SI
FIGURA No. 15
FUENTE: Pedro González y Juan Rivero, 2000
INICIO
INICIALIZA ENTRADAS /
SALIDAS
Llamada por red eléctrica NO
NO
Cambiar estado
TONO = 8
NO SI
SI
SI
NO
SI SI
Código de identificación
corecto
NO
SI SI
Código de comando encendido/apagad
TONO = 8
Desactivar relee activar relee
NO SI
FASE IV: “Adaptación entre Hardware y Software”.
Ya expuestas las diversas etapas en las que intervienen el Hardware y el Software, se considera necesario relacionar ambos para establecer el mecanismo de como interactúan y se comunican para consolidar el sistema general.
El eje principal del sistema lo constituye el microcontrolador PIC16F84, siendo este el que procesa y ejecuta las acciones correspondientes ya que cuenta en sí con el software interno para tomar todas las decisiones del sistema. Por lo tanto es en el control de Hardware donde se establece la comunicación con el software desarrollado. El microcontrolador interpreta el programa para luego realizar las acciones correspondientes.
Las instrucciones que el PIC recibe por parte del decodificador de tonos DTMF, son interpretadas por medio del software grabado en el PIC principal (ver diagrama de circuito, anexo B) de la central del sistema de interface, para posteriormente encargarse de controlar las cargas que se encuentran en la etapa de potencia por medio de la comunicación entre los
PIC de la central y los de las estaciones, empleando la comunicación serial a través de la red eléctrica.
FASE V: “Organigramas Modulares”.
En el Anexo A se puede visualizar el código fuente que refleja los organigramas modulares del sistema desarrollado. Dicho código representa la interpretación de los diagramas de flujo que se expone en la fase III, y fue realizado en lenguaje ensamblador especial para PIC 16XXX.
FASE VI: “Implementación del Hardware”.
La etapa de decodificación está constituida por un circuito integrado (MC8870), que codifica los tonos DTMF en una salida binaria de 4 bits y con un nivel binario alto de aproximadamente +5 V. Este circuito codificador (MC8870) posee además un pin que indica que se ha recibido un tono DTMF válido, el cual se emplea para reconocer este evento al conectarse con el microcontrolador principal (ver diagrama de circuito,
anexo B). El circuito de codificación requiere un cristal de cuarzo de 3.58 Mhz para poder generar una señal interna de reloj que le permite la decodificación de la señal del tono doble. Es importante destacar que los valores de los componentes de este circuito codificador requieren de la mayor exactitud posible, ya que de esto depende la óptima operación del mismo.
FIGURA No. 16: Detector de timbre
FUENTE: Pedro González y Juan Carlos Rivero, 2000.
Además del circuito decodificador, se requiere un circuito de detección de llamada (ver Fig. 16), el cual está constituido por un opto acoplador que utiliza internamente un diodo y un fototransistor. El diodo se emplea como detector por medio de un circuito formado por un condensador y una resistencia que cumplen la función de limitar la corriente que pasa por el diodo del optoacoplador, y logrando que este se active con
la señal de semiciclo positivo de la señal de timbre. La señal detectada por el diodo del optoacoplador activa el fototransistor del mismo, aislando de forma segura la tensión de la línea telefónica del microcontrolador ya que este recibe la señal a través del fototransistor.
Para semejar el descuelgo telefónico el circuito posee un relee, que una vez activado coloca una impedancia en la línea telefónica semejante a la de un teléfono convencional, logrando que se establezca la comunicación y la consecuente decodificación esperada. Es importante resaltar que se debe conservar cuidado con las corrientes que manejará el micro- controlador, por ello es necesario el uso de componentes como los transistores que permiten amplificar la señal del microcontrolador y activar con seguridad los relés empleados.
El circuito de la central cuenta con un sistema de reproducción digital de voz constituido por un integrado ISD1420P, éste es controlado por un PIC 16F84 (PIC secundario, ver diagrama de circuito, anexo B), proporcionándole las señales lógicas adecuadas para el desempeño óptimo del mismo cuando el PIC principal lo indica, por medio de una comunicación serial entre éstos (ver anexo B).
La etapa de control está basada en su microcontrolador princip al (PIC 16F84), el cual posee un bajo consumo de potencia, y por lo tanto sus señales de control son también de baja potencia, ya que dependen directamente de las características de éste. Las señales del microcontrolador son de tipo binario con valores de 1 lógico de unos +5 Voltios, con corrientes en el orden de los miliamperios, razón por la cual se hace necesaria la etapa de potencia que no es más que un dispositivo a transistor este amplifica la señal del microcontrolador para activar un relee, éste cumple la función de transferir la señal de control con la conexión o desconexión electromecánica de la alimentación de la carga controlada, obteniéndose una gran amplificación de potencia, puesto que la corriente controlada, sólo se limita por el máximo soportado por estos relees que incluso pueden activar otros, para obtener el control de potencias considerablemente elevadas.
La etapa de potencia está constituída por un transmisor, constituido un integrado 555 dispuesto como oscilador astable (ver Fig. 17), el cual envía una señal de aproximadamente 100 Khz y modulada en amplitud a todo o nada, la que viaja a través de la red eléctrica y es recibida por un circuito de decodificador de tono único ubicado en cada una de las
estaciones y con una frecuencia central de aproximadamente 100 Khz. La señal recibida por éste es introducida al correspondiente PIC de cada estación, para ser procesada y finalmente controlar la carga por medio de un relee. De acuerdo a la señal de control enviada por la central de la interface electrónica a través de la red eléctrica (ver diagrama de circuito, anexo B)
FIGURA No. 17: Circuito transmisor
FUENTE: Pedro González y Juan Carlos Rivero, 2000
FASE VII: “Depuración del Software”.
En esta parte se procedió a crear puntos de ruptura en el programa ensamblador del microcontrolador, de tal manera que se pudiera detectar donde estaban ocurriendo determinados errores, para posteriormente ser
corregidos ya que el programa se corrió paso a paso, logrando así probar todas las rutinas.
FASE VIII: “Integración del Hardware con el Software”.
En esta fase fueron realizadas una serie de pruebas tanto en el Hardware como en el Software. Inicialmente se realizó la prueba del programa de comunicación serial (refiérase al anexo A), tomado del programa principal tomado de una subrutina del PIC principal para comprobar la comunicación directa del PIC a PIC, por medio de un cable común, se observaron fallas y se realizaron las correcciones. Luego de esto se procedió a probar la misma subrutina pero intercalándole entre los PIC el circuito transmisor y el receptor para una trasmisión a través de la red eléctrica comprobando por medio de esto la distancia posible de transmisión por lo que se decidió, amplificar la potencia del transmisor, empleando para ello un amplificador a transistores, obteniendo una mayor distancia al transmitir (Para las pruebas anteriormente señaladas se montaron circuitos diferentes al de el diseño final). Se efectuaron pruebas inyectando los voltajes requeridos en cada etapa para comprobar la correcta conexión de los componentes por etapa comprobando los voltajes en los puntos críticos
en los portaintegrados, con esto se verificó que los microcontroladores y demás circuitos integrados no sufrieran daños.
Seguidamente se verificó que el Software del microcontrolador estuviera controlando de forma correcta toda la circuitería esto dividiendo el programa de cada PIC en partes y haciéndole pequeñas modificaciones para obtener una respuesta directa especialmente con el programa del PIC principal, para poder detectar errores en las etapas, e inmediatamente se procedió a corregirlos. De esta manera determinamos que la integración del Hardware con el Software es correcta.
FASE IX: “Pruebas del sistema”.
Para la prueba del sistema completamente ensamblado se tomó como base una conexión telefónica cualquiera de un hogar común, y se conectaron como cargas, aparatos electrodomésticos comunes como una licuadora, ventilador, aire acondicionado y una lámpara de mesa.
Utilizando un teléfono celular se realizó la llamada al número correspondiente, y se esperó la respuesta del sistema, luego que éste contesta la llamada, se pulsa la clave de acceso discando la secuencia de números correspondientes. Se teclea el número del aparato que se desea controlar, luego se selecciona y pulsa la tecla para el encendido, la que corresponde al número 3, ocasionando el accionamiento de la carga. Se seleccionó nuevamente la misma carga, pero en este caso se pulsó el número 2 correspondiente a la orden de apagado, teniendo como resultado la desconexión del equipo correspondiente. Seguidamente se repitió el procedimiento de prueba, eligiendo las demás cargas.
Finalmente se tecleó el digito que corresponde a finalizar, el cual es el número 8, cerrando así la conexión con el sistema interfaz.
Se comprobó que las cargas se mantenían en el estado de activación, y se repitió todo el proceso para comprobar la repitividad del mismo.
D. DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS.
De acuerdo a los resultados obtenidos, se puede observar que las teorías o definiciones propuestas por los autores Ronald Tocci y José Huidobro son concordantes a éstos resultados, ya que fue posible lograr la interconexión del usuario con un equipo ó artefacto eléctrico para ejercer una acción de control, esto de manera que se obtuvo una interface constituida por diferentes dispositivos que funcionan de forma coordinada, logrando una conexión de la salida de un sistema a la entrada de otro con características diferentes como lo son la red telefónica, la red eléctrica y equipos eléctricos conectados. Además del consecuente intercambio de información de un punto a otro, atendiéndose a las distintas características físicas, eléctricas y funcionales.
El sistema de interface electrónica obtenida tiene como componente principal un microcontrolador (PIC principal) que actúa como coordinador y ensamblador de los componentes de la misma. En la memoria de éste, reside el programa que gobierna la función del circuito de la interface, realizando la tarea determinada por el software que fija las acciones de acuerdo a la lógica preestablecida, esto entra en concordancia con la teoría de Ángulo José, con respecto a la definición del microcontrolador. La fiabilidad obtenida del sistema depende directamente de la memoria del
microcontrolador, puesto que de ella depende su funcionamiento, por lo que se toma en consideración lo expuesto por Goñi Miguel al momento de tomar una decisión de producción en masa del sistema.
Conjugando todos los elementos mencionados anteriormente se constató que el sistema desarrollado cumplió con todas la expectativas deseadas, por lo que es capaz de realizar un enlace telefónico entre el operador y el sistema, brindándole una respuesta audible al operador que además lo orienta en su operación, enviando a través de la red eléctrica la información necesaria para actuar sobre las cargas en las formas que el operador lo requiera. Además de poseer la característica de memorizar los estados establecidos por el operador en caso de fallas por parte del servicio de energía eléctrica, ofreciendo al sistema un alto rango de seguridad y confiabilidad.. Todo esto considerando que el sistema tiene la capacidad además de ser ampliado sin necesidad de utilizar circuitería externa, es decir con sólo modificar el software.
CONCLUSIONES
Se logró crear el diseño de un prototipo que trabajando conjuntamente con el sistema telefónico permite la activación y/o desactivación a distancia de diversos equipos eléctricos.
La presente investigación , la cual ofrece la importante alternativa de ejecutar de forma moderna y sencilla una de las operaciones más común a nivel mundial, arrojó múltiples beneficios, entre los que se mencionan:
El sistema desarrollado no tiene el inconveniente de las radiaciones electromagnéticas que poseen sistemas que funcionan por transmisión de radios, al emplear la red eléctrica como medio de transmisión ya que ésta posee bajo nivel de radiación electromagnética.
Debido al uso de la red eléctrica y telefónica como medios de transmisión de las señales de control, el sistema se hace mucho más económico en relación a otros que no emplean estos medios.
El sistema desarrollado es versátil y de muy sencilla instalación e implementación, ya que sólo se requiere de una línea telefónica de las tomas de energía eléctrica.
La comodidad de encender y/o apagar de forma sencilla cualquier equipo eléctrico que esté conectado al sistema interfaz, sin tomar en cuenta que tan distante se encuentre del operador.
La seguridad obtenida, debido a que pueden realizarse operaciones peligrosas o de alto riesgo, sin necesidad de acercarse al área de trabajo.
La instalación del sistema es fácil y no requiere gran cantidad de espacio.
RECOMENDACIONES
Elaborado el prototipo del sistema, se hacen las siguientes recomendaciones para su mejora:
Capacitar al usuario para el manejo del sistema interface de tal forma que conozca todo lo relacionado con el funcionamiento del mismo por lo que se podría desarrollar un manual para este fin.
Usar un microcontrolador con mayor capacidad para que permita aumentar las operaciones del sistema y su capacidad.
Realizar modificaciones al sistema que permita la comunicación bidireccional para poder ampliar su capacidad y mejorar sus características, lo que permitiría diversificar más el uso del sistema, como por ejemplo un sistema de seguridad, sistemas de acceso, etc.
Implementar un circuito que permita al usuario la grabación de mensajes de su agrado, así como también agregar una rutina que permita al
usuario seleccionar la cantidad de repiques que desea antes de la contesta del sistema.
Agregar un comando o rutina que permita encender o apagar todas las cargas conectadas de forma simultánea con la finalidad de permitir un ahorro de tiempo en ciertas aplicaciones y en casos de emergencia.
Finalmente se recomienda la implementación de un módulo de display y un teclado para la programación directa del sistema desde la interfaz, además de incluir la posibilidad de temporización en el control de cargas.
