Diseño de una Puerta Automática Castillo, Cesar Sánchez, Gabriel Santamaría, Cristian cesar-2c@hotmail.com xxlansitoxx@hotmail.com yusack_89@hotmail.com Resumen- Este proyecto consiste en el diseño de una puerta automatizada. La puerta se abrirá y cerrara automáticamente al detectar la presencia de un objeto cercano a ella, para poder lograr esto se empleó un motor en conjunto con mecanismo de correa el cual es el encargado de mover la puerta y un sensor de presencia que determinara la acción que debe tomar la puerta, cada uno de estos elementos serán controlados a través de un microcontrolador encargado de la lógica de control del sistema. Palabras Claves- Automatización, Control, Mecánica y Electrónica, Control. 1. Introducción Este proyecto se basó en el diseño y elaboración de una puerta corrediza automatizada. Los objetivos principales de este proyecto son el demostrar la comodidad de tener una puerta automatizada que abra y cierre de manera automática sin la acción directa de una persona, aparte de lo funcional y práctico que resulta tener este tipo de puertas especiales. Y como objetivos específicos es comprender el completo funcionamiento de los diferentes dispositivos que logran que la puerta se desplace y saber interpretar o comprender el esquema eléctrico-electrónico que hará funcionar este tipo de puerta. La puerta está diseñada para que se deslice de manera horizontal la cual es accionada por diversos sensores y otros dispositivos que enviaran la señal al controlador que en este caso es un micro-controlador, este recibe la señal y acciona el motor el cual hará que la puerta abra y cierre de manera automática cuando esté totalmente abierta o totalmente cerrada. 2. Marco Teórico Las puertas automáticas se abren gracias al automatismo u operador, el cual se acciona gracias a un mecanismo de activación que no tiene siempre que ser un sensor infrarrojo. Dentro de los sensores podemos encontrar, sensores infrarrojos, por ultrasonido, de proximidad y otros, como burletes de seguridad para codo o rodilla, pulsadores de emergencia, tipo timbre o de minusválidos y controles de acceso mediante huella dactilar o tarjeta. Como algunas de las aplicaciones de las puertas automáticas podemos mencionar que son utilizadas en supermercados hospitales, cines, restaurantes; su funcionamientos consiste en carros corredizos que se encargan de sostener el acrílico (material utilizado en nuestro proyecto). Como algunas de sus ventajas podemos mencionar que estas facilitan el acceso a personas que tienen sus manos ocupadas o sufren de alguna incapacidad motriz, también son muy utilizadas para los garajes de autos. Como alguna de las desventajas y una de las más importantes es que estas puertas utilizan la fuente eléctrica para funcionar y en caso de perder el suministro de energía eléctrica estas quedan deshabilitadas y sin poder funcionar. Otra desventaja es el costo que se tiene que invertir en este lujo ya que no son elementos baratos en comparación con las puertas manuales tradicionales. 3. Materiales y Métodos A continuación presentaremos los materiales utilizados para el diseño de la puerta automática: Puerta de acrílico Motor DC (De una impresora) Sensores infrarrojos Sensores de posición Microcontrolador (MCU-MC908JL3) Mecanismo móvil de la puerta Puerta: Se fabricó de material acrílico, en ella se acoplaran todas las partes que forman el mecanismo móvil, también se incorporara una especie de guía en
el piso de la maqueta para que la puerta se mueva adecuadamente. Mecanismo móvil de la puerta: Este mecanismo consiste en un juego de dos poleas y una correa, este es el mecanismo que utilizan las impresoras comunes para el desplazamiento del cabezal (canon ip1800), el cual esta acoplado con el motor y de esta manera realizar un movimiento lineal en las puertas. La idea de emplear el mecanismo con correa es para obtener un movimiento lineal y opuesto entre las puertas es decir, mientras una se mueve a la izquierda la otra se mueve a la derecha y viceversa (observar figura 3). Motor: Este dispositivo es el encargado de entregar la energía mecánica necesaria para el movimiento de la correa. Sensores de presencia: Permiten detectar la presencia de algún objeto y de esta forma realizar una acción específica con la puerta, los sensores de presencia que utilizamos son infrarrojos, y están alineados de manera que el ángulo de incidencia de la señal emisora sea captado por el receptor. Se empleó como emisor un diodo infrarrojo y como receptor un fototransistor. Sensores de posición: Permiten conocer la posición de la puerta es decir, cuando está completamente abierta y cuando está completamente cerrada. Controlador: La función de control es realizado por micro-controlador MC908JL3, el control por medio de este sistema es más eficiente, nos permite realizar cualquier ajuste o mejora en el sistema y nos evita tanta circuitería. Este micro-controlador está asociado con el motor y cada uno de los sensores, y están conectados por medio de algunos circuitos de comando. Figura 2. Partes del mecanismo móvil de las puertas 1. Representa la estructura del mecanismo móvil de la puerta formador por las dos poleas y la correa como se aprecia en la figura 2. 2. Son los sensores (interruptores de un mecanismo de CD player) de posición los cuales indican cuando la puerta está completamente abierta o cerrada, esto se aprecia en la figura 2. 3. Pequeños rodillos del mecanismo de una casetera que están acoplados a las dos puertas, estos se mueven a través de un riel de la estructura para que la puerta se pueda desplazar libremente y con menos fricción, esto se observa en la figura 2. Figura1. Estructura de la maqueta
Figura 4. Diagrama en bloques del Sistema El controlador del sistema es el MCU (microcontrolador) que es el encargado de recibir la señal de los sensores.infrarrojos y de posición, y enviar una señal determinada hacia el motor que es el encargado de mover el mecanismo móvil. Nuestro actuador es el motor DC, su función es corregir la posición de la puerta de acuerdo al estado de las variables de control. El proceso o planta es el mecanismo móvil de la puerta. Por último la señal de realimentación depende de los sensores de posición ó infrarrojo que son los que detectan la presencia de cualquier objeto y envía la señal al MCU y de esta manera realizar una acción específica con la puerta. Figura 3. Partes de acoplamiento al mecanismo móvil. 4. Es un elemento solido rectangular (de acrílico) que esta acoplado a cada puerta y a través de este cada puerta se acopla con la correa mediante un tornillo, la puerta 1 en la parte inferior de la correa y la puerta 2 en la parte superior de la correa, como se observan en la figura 3. En la figura 5 presentaremos el circuito electrónico completo que se utilizo para el sistema de la puerta automática: 5. Forma un elemento solido rectangular (de acrílico), que esta acoplado a cada puerta, este elemento es para evitar que las puertas se levanten y de esta forma poder mantenerlas acopladas al riel, figura 3. 4. Resultados A continuación en la figura 4 se presenta el diagrama en bloques del sistema de la puerta automática, donde nuestra variable de entrada es la posición de la puerta, es decir si está abierta ó cerrada. Figura 5. Circuito electrónico 1- Interruptores de posición los cuales indican cuando la puerta está completamente abierta y completamente cerrada, el MCU internamente tiene habilitada la función pull-up para cada interruptor.
2- se ubican el fototransistor y el diodo infrarrojo los cuales hacen la función del sensor de presencia e indican cuando hay un objeto cercano, también se incluyó el uso de un Schmitt trigger ó disparador Schmitt el cual su función es la de evitar que ruidos externos dañen la señal que le es enviada al MCU y mantener la señal en estados lógicos para que estas sean interpretadas correctamente por el MCU. 3 -se encuentra el circuito de puente H que es necesario para el control del motor DC en ambos sentidos. Asociado a esta parte dos LED`s (D5, D6) que indican si la puerta está abriendo ó cerrando. A continuación en la figura 6 se presentara el flujograma del algoritmo del MCU, seguidamente en la figura 7 se observa la programación en lenguaje Assembler del MCU, dicha programación se implemento bajo el entorno de WINIDE con sus respectivos programas para grabar el programa en el MCU. Figura 7. Programación en Assembler Por último como un anexo presentamos algunas imágenes de la implementación del circuito en placa, protoboard y la tarjeta de desarrollo del microcontrolador. Cabe destacar que el diseño de la placa se hizo con el programa NI ULTIBOARD 11.0, en la figura se presentan imágenes del diseño. Figura 8. Circuito implementado en placa Figura 6. Flujograma del programa
Figura 9. Diseño de la placa en NI ULTIBOARD 11 Figura 13. Circuito conectado en la maqueta Figura 10. Vista en 3D del diseño de la placa Figura 11. Circuito del sistema implementado con la tarjeta de desarrollo del microcontrolador En la figura 13, no aparece la fuente de alimentación sin embargo, como fuente de alimentación se emplearon 2 fuentes, una para la tarjeta de desarrollo del microcontrolador de 12V y para el motor una fuente variable de manera que se pudiera adecuar el voltaje para una velocidad aceptable del motor. 5. Conclusiones Las ventajas de usar un microcontrolador podemos decir que tienen mayor fiabilidad porque al reemplazar un MCU por un gran número de elementos se disminuye grandemente el riesgo a daños. Con el uso de un MCU se tienen mayor control sobre un determinado elemento y los parámetros de control están programados por lo que si hay que hacerle alguna modificación solo necesita cambios en el programa de instrucciones. La realización de este proyecto nos ayudó a fortalecer nuestros conocimientos sobre el funcionamiento de sensores y dispositivos como el microcontrolador y los motores DC, ya que estos que utilizamos en este proyecto. Algunos de los inconvenientes que tuvimos en nuestro diseño fue al implementar el circuito en la placa no funcionaba de manera correcta ya que algunos de los dispositivos se dañaron al momento de soldarlos en la placa uno de ellos fue el puente H que se usa para controlar el
motor DC y el Micro-controlador también nos dio problemas cuando se implementó en la placa, el problema radicaba principalmente en que al momento de aplicarle el acido a la placa varias pistas se levantaron, se pensó en hacerlo nuevamente sin embargo no disponíamos de suficiente tiempo, como una solución rápida para presentar el proyecto tuvimos que implementarlo de nuevo el circuito al protoboard ya que era la solución segura de que funcionara y sin fallas. Cuando iniciamos el proyecto, del cual se hizo una pequeña propuesta se pensó en emplear una sola puerta y un mecanismo con cremallera para la puerta sin embargo, estuvimos haciendo observaciones en algunos supermercados de la localidad que cuentan con sistemas de puertas automáticas y nos percatamos que estos contaban con una correa que movía dos puertas simultáneamente, con esto rápidamente tratamos de ingeniárnosla para implementar un prototipo en maqueta de este sistema y surgió la idea de emplear el mecanismo de una impresora la cual nos facilito el sistema mecánico del sistema, el cual se sabia que era el mas complicado. Otra de las cosas que se pensó fue emplear un sensor PIR de presencia sin embargo, esto nos atraso grandemente el proyecto ya que no funcionaba y también nos acarreo una inversión de la cual no pudimos sacar provecho, entonces como solución se empleo el sensor infrarrojo el cual nos dio mejores resultados. Referencias [1] Sensor de movimiento disponible en: http://www.slideshare.net/benjapreller/sensorde-movimiento-pir [2] Sensores de movimiento infrarrojos disponible en: http://www.vidadigitalradio.com/sensoresmovimiento/ [3] Freescale semiconductor M68HC08 Microcontrollers Data Sheet, MC68HC908JL3E Family Data Sheet, Rev. 4, (10/2006) [4] Cremallera mecánica disponible en: http://www.concurso.cnice.mec.es/cnice2006/m aterial107/operadores/ ope_cremallera.htm