lOMoAR cPSD| 6067947 lOMoAR cPSD| 6067947 PASO 3 DISEÑO DEL PROYECTO MICROPROCESADORES Y MICROCONTROLADORES Tutor: Grupo: Presentado por: UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA – UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA 2023 lOMoAR cPSD| 6067947 INTRODUCCIÓN En el marco de la búsqueda constante por optimizar procesos y mejorar la eficiencia en entornos industriales, la automatización se ha convertido en un pilar fundamental para el desarrollo y la evolución de diversas industrias. En este contexto, se presenta la oportunidad de abordar la automatización del laboratorio de calidad de la empresa. El propósito de este trabajo es explorar a fondo las características y la arquitectura de un microcontrolador, así como su integración con los puertos de entrada y salida (IƒO), su configuración, la gestión de la pila y la conexión, con el objetivo de aplicar estos conocimientos en la solución al desafío planteado por el curso. El enfoque se centrará en el diseño y simulación de un sistema de automatización que permita el control preciso del acceso mediante la apertura y cierre de las dos puertas del laboratorio, además del manejo de la iluminación en ambos espacios de trabajo. lOMoAR cPSD| 6067947 RESUMEN Para este trabajo se utilizó los programas de simulación de circuitos electrónicos Proteus e IDE de Arduino, donde mediante información adquirida en los recursos del curso microprocesadores y microcontroladores, se realiza el diseño de un sistema automatizado para el encendido de luces y el control de acceso de las puertas de dos laboratorios, Primero se diseñó el circuito a implementar en el software Proteus, donde se utilizó elementos como tarjeta Arduino uno, sensores LDR para la simulación de la luz natural, unos LEDs para la simulación de la iluminación de los laboratorios, un driver L298 para controlar dos motores DC que simulan la apertura y cierre de puertas y dos switches que simulan sensor de inicio y fin de carrera, posteriormente se creó el código para tarjeta Arduino uno mega mediante la aplicación IDE Arduino, donde se definió las variables y procesos de bucle para el funcionamiento correcto del sistema así como la configuración para que muestre los mensajes por pantalla LCD i2C y cumpla los requerimientos del laboratorio. lOMoAR cPSD| 6067947 OBJETIVOS − Adquirir comprensión sobre los conceptos y principios claves relacionados con sistemas embebidos y Arduino, incluyendo sus componentes y capacidades. − Diseñar y simular un sistema de automatización que permita la apertura y cierre de puertas de laboratorio en función de la presencia de operarios y el control de la iluminación según la luz natural disponible. − Utilizar el software de programación Arduino y el software de simulación Proteus para desarrollar el código necesario y diseñar el circuito que cumpla con los requisitos del sistema de automatización. lOMoAR cPSD| 6067947 La actividad consiste en: Se plantea como proyecto a desarrollar en todo el curso el diseño de un sistema de control y automatización de un laboratorio de Calidad para la empresa Bambo la cual tiene como función la producción de pan integral: Nota importante: Dado que la estrategia de aprendizaje del curso es basada en proyectos, se plantea el proyecto a desarrollar por medio de 5 pasos, que van a estar divididos en las diferentes unidades, por lo tanto, tenga en cuenta que es solo un proyecto en todo en curso y para este paso 3 se va a desarrollar una parte de este siguiendo estas indicaciones: Actividades que debe desarrollar el estudiante de forma Individual 1. El estudiante debe revisar los referentes bibliográficos presentados en la Unidad 3 que se encuentran en el entorno de aprendizaje, de forma tal que deben adquirir los conceptos sobre las tarjetas de desarrollo y sistemas embebidos como Arduino. 2. El estudiante hace revisión de los materiales que se van a utilizar para realizar el diseño y simulación del circuito que responda a la solución del proyecto propuesto en el paso 3: − Software de programación Arduino (Ilustración 1): El cual se utiliza para programar la tarjeta Arduino ya sea en simulación o de forma física, puede descargar el software siguiendo este enlace: https:ƒƒwww.arduino.ccƒ lOMoAR cPSD| 6067947 − Software de simulación Proteus (Ilustración 2): Este se utiliza para realizar el diseño del circuito junto con la tarjeta Arduino para simular el comportamiento y resultados del diseño realizado, puede descargar la versión de prueba siguiendo este enlace: https:ƒƒwww.labcenter.comƒdownloadsƒ − Librerías para Proteus de la tarjeta Arduino (Opcional): estas librerías sirven para realizar el diseño del circuito y simulación en Proteus con el modelo de la tarjeta Arduino de forma física, pueden realizar la búsqueda en internet ya que existen varias versiones y opciones de descarga según el autor. lOMoAR cPSD| 6067947 Actividades a desarrollar de forma Grupal 1. Teniendo en cuenta que la empresa Bambo está solicitando la automatización del laboratorio para la producción del pan integral en el presente paso se va a realizar el diseño y simulación del sistema de automatización, para ello el grupo va a realizar la siguiente actividad: Para el paso 3 del proyecto propuesto se desea realizar un sistema de apertura y cierre de las 2 puertas que tiene el laboratorio de calidad de la empresa Bambo y control de la iluminación de los 2 laboratorios Teniendo en cuenta que se desea realizar la automatización de apertura y cierre de las puertas, realice la programación y simulación teniendo en cuenta lo siguiente: lOMoAR cPSD| 6067947 • Puerta 1: Cuando se active un sensor en el piso y el operario esté de pie frente a la puerta, esta se abre, cuando el operario ya no esté de frente en la puerta, esta se cierra • Puerta 2: Cuando se active un sensor en el piso y el operario esté de pie frente a la puerta, esta se abre, cuando el operario ya no esté de frente en la puerta, esta se cierra • Utilizar dos sensores de luz (pueden utilizar fotorresistencias) para determinar la cantidad de luz que se encuentran en todo momento en cada uno de los laboratorios, si el porcentaje de luz natural en el laboratorio 1 se encuentra en el rango de 100% y el 60%, la lampara del laboratorio 1 está apagada, una vez baje más del 60% hasta el 0% de luz natural, la lampara del laboratorio 1 se enciende, para el laboratorio 2 tener en cuenta que el porcentaje de luz natural si se encuentra en el rango de 100% y el 40%, la lampara del laboratorio 2 está apagada, una vez baje más del 40% hasta el 0% de luz natural, la lampara del laboratorio 2 se enciende. Teniendo en cuenta las instrucciones anteriores realice la programación en el software Arduino y diseñe el circuito en el software de Simulación Proteus teniendo en cuenta: a. Muestre mediante una pantalla LCD 16x2 (Opcional: para mayor comodidad pueden utilizar una pantalla LCD 20x4) la puerta a la cual se tiene acceso, por otra parte, debe presentar los siguientes mensajes de acuerdo con el momento de apertura o cierre de la puerta: “Abriendo puerta X”, “Puerta Abierta”, “Cerrando Puerta X” y “Puerta Cerrada”. En esta misma pantalla LCD se debe mostrar el porcentaje de luz del laboratorio 1 y del laboratorio 2, e indicar en qué momento se enciende cada una de las lámparas. lOMoAR cPSD| 6067947 b. Realice el montaje y diagrama esquemático de los motores que mueven cada una de las puertas y los sensores de inicio y fin de carrera para la apertura y cierre de estas. Para el desarrollo de la solución, se comenzó con el diseño del circuito mediante el software Proteus, iniciando con el uso de simulación de tarjeta Arduino uno: Imagen 1. Modelo Tarjeta Arduino de Proteus. lOMoAR cPSD| 6067947 Luego su usaron dos LEDs de color verde para laboratorio 1 y azul para el laboratorio 2, que simularan las lámparas para su respectivo encendido y apagado: Imagen 2. Modelo de LEDs y sus resistencias de Proteus. Para la simulación de la luz natural, se usa los sensores LDR o fotorresistencias: Imagen 3. Modelo de LDR y sus resistencias de Proteus. lOMoAR cPSD| 6067947 Se ha usado el driver L298, para el control de la dirección del giro y la velocidad de los motores DC: Imagen 4. Modelo del driver L298 de Proteus. Se han usado dos motores DC, para simular la apertura y cierre de las puertas: Imagen 5. Modelo de los motores DC de Proteus. lOMoAR cPSD| 6067947 Para la simulación de los sensores de inicio y fin de carrera se ha usado switches de los modelos SW−SPST de Proteus: Imagen 6. Modelo de switch SW−SPST de Proteus. Y para mostrar los mensajes se ha usado pantalla LCD I2C de proteus: Imagen 7. Modelo de pantalla JHD−2X16−I2C de Proteus. lOMoAR cPSD| 6067947 Con elementos seleccionados en Proteus, se comienza con el diseño, montaje y conexionado de cada elemento para su funcionamiento, el software nos permite el cableado y conexionado a tierra, así como el ingreso del voltaje requerido para el funcionamiento del circuito. Imagen 8. Diseño del circuito en Proteus. lOMoAR cPSD| 6067947 Teniendo listo el diseño del circuito con se respectivo conexionado se procede con la configuración del código Arduino, que nos permitirá la automatización de la solución, según los requerimientos del diseño solicitado: Primero se hace el llamado de las librerías requeridas y la declaración de las variables: Imagen 9. Declaración de variables en IDE Arduino. Luego se realiza la configuración del Void−setup función se ejecuta una vez al inicio del programa y se utiliza principalmente para: Inicializar pines: Establecer los pines como entrada o salida, configurar el estado inicial de los pines, asignar valores iniciales a variables, preparar estructuras de datos, configurar variables de control. Inicializar comunicaciones serie (Serial), configurar dispositivos como pantallas LCD, sensores, motores. lOMoAR cPSD| 6067947 Imagen 10. Void−setup en IDE Arduino. Ahora se realiza la configuración del void−loop que es el núcleo del programa Arduino entra en un ciclo infinito en el que ejecuta continuamente el código dentro de loop (). Esta función se ejecuta una y otra vez, permitiendo que el dispositivo Arduino realice tareas programadas como la forma como se encienden los LEDs y la activación y desactivación de los motores: Imagen 11. Void−loop en IDE Arduino. lOMoAR cPSD| 6067947 Imagen 12. Void−loop en IDE Arduino. Imagen 13. Void−loop en IDE Arduino. lOMoAR cPSD| 6067947 Imagen 14. Void−loop en IDE Arduino. Con el código desarrollado se hace la copia del archivo. hex del IDE Arduino a la tarjeta Arduino simulada en el programa Proteus. Imagen 15. Archivo. hex en IDE Arduino. Imagen 16. Archivo. hex copiado en Tarjeta Arduino en Proteus. lOMoAR cPSD| 6067947 Se procede con la simulación y validación de su correcto funcionamiento. Imagen 17. Simulación del circuito corriendo en Proteus. Imagen 18. Simulación del circuito corriendo en Proteus. lOMoAR cPSD| 6067947 Imagen 19. Simulación del circuito corriendo en Proteus. Imagen 20. Simulación del circuito corriendo en Proteus. lOMoAR cPSD| 6067947 CONCLUSIONES En conclusión, en relación con la automatización de apertura y cierre de puertas, el diseño e implementación del sistema cumplió con los requisitos establecidos. Se logró un funcionamiento eficiente utilizando sensores de proximidad para detectar la presencia del operario frente a las puertas. La apertura y cierre de las puertas se ejecutaron correctamente cuando el operario estaba o dejaba de estar frente a ellas, garantizando un flujo seguro y eficaz en el acceso a los laboratorios. En cuanto al control de la iluminación en los laboratorios, se emplearon sensores de luz (fotorresistencias) para monitorear el nivel de luz natural en cada espacio. El sistema diseñado permitió ajustar automáticamente la iluminación en función del porcentaje de luz natural disponible. Se establecieron rangos específicos de luz para determinar cuándo encender o apagar las lámparas en cada laboratorio, contribuyendo así a la eficiencia energética y al confort ambiental. La programación en Arduino se implementó con éxito para gestionar tanto el funcionamiento de las puertas como el control de la iluminación. Se utilizó una pantalla LCD 16X2 I2C para mostrar información relevante, como el estado de las puertas (abiertas o cerradas). Además, la pantalla LCD mostró de manera precisa el porcentaje de luz natural en cada laboratorio y señaló el momento en el que se activaban las lámparas, facilitando así la monitorización del sistema. lOMoAR cPSD| 6067947 BIBLIOGRAFÍA Amariei, C. (2015). Arduino Development Cookbook. Packt Publishing. 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