isbn: de un sistema domÓtico - … · de movimiento sobre la placa base. ... exposición de la...
TRANSCRIPT
2016
UIADTIUnidad de Investigación Aplicada,
Desarrollo Tecnológico e Innovación
Manual
SMS Center
USB
Serial
M. Energía
Ventilación
Gas Natural
Humo
Presencia
Temperatura
Sensor de Puertas
Iluminación
Persianas Motorizadas
Alarma Sonora
Internet
ZigBee
MódemGSM
Raspberry PI-(Computador
Central)
XBEEExplorer
SMS Center
USBSerial
M. Energía
Ventilación
Gas Natural
Humo
Presencia
Temperatura
Sensor de Puertas
Iluminación
Persianas Motorizadas
Alarma Sonora
Internet
ZigBee
MódemGSM
Raspberry PI-(Computador
Central)
XBEEExplorer
ISBN
: 978
-958
-15-
0210
-3SE
RVIC
IO N
ACIO
NAL
DE A
PREN
DIZA
JE-S
ENA
MAN
UAL
DE D
ESAR
ROLL
O DE
MÓD
ULO
ELEC
TRÓN
ICOS
EM
BEBI
DOS
DE U
N SI
STEM
A DO
MÓT
ICO
DESARROLLO DE MÓDULOSELECTRÓNICOS EMBEBIDOSDE UN SISTEMA DOMÓTICO
ISBN: 978-958-15-0210-3
Esta obra está bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional.
Manual de Desarrollo de Módulos Electrónicos Embebidos de un Sistema DomóticoProyecto: “Desarrollo e Implementación de un Sistema de Control Eléctrico Eficiente y Automatizado,
Basado en Uso de Electrónica Embebida y de Aplicaciones Teleinformáticas Multiplataforma”Desarrollado por: Unidad de Investigación Aplicada, Desarrollo Tecnológico e Innovación.
Convocatoria 001 de 2014:Sistema de Investigación, Desarrollo Tecnológico e Innovación, SENNOVA - SENA
Regional ValleCentro de Electricidad y Automatización Industrial
Área de Innovación y Competitividad
Calle 52 No 2 Bis 15 Complejo Salomia. Tel 431 5800. Ext. 22581 - 22763Cali. Colombia
SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE, SENA.Sistema de Investigación, Desarrollo Tecnológico e Innovación, SENNOVA - SENARegional Valle.Centro de Electricidad y Automatización Industrial, CEAI.
William Rosero AguilarSubdirector
Pedro Valderrama BedoyaCoordinador Misional
Jorge Enrique Moreno SerranoLíder SENNOVA
Área de Innovación y Competitividad del CEAI.Unidad de Investigación Aplicada, Desarrollo Tecnológico e Innovación, UIADTI.Semillero de Investigación de Electrónica, Instrumentación y Automatización, SIEIA.
Autores:José Fernando Pérez VillaIván Miguel Londoño SilvaJorge Enrique Moreno Serrano
Colaboradores:Alexander Zapata - InstructorJhon Jaiver Riveros - AprendizLuis Alfredo Valencia - AprendizJames Steven Gonzáles - Aprendiz
ISBN: 978-958-15-0210-3 Editorial: Servicio Nacional de Aprendizaje. Tiraje: 100 Ejemplares Julio de 2016
ContenidoIntroducción General ............................................................................................. 9
Capitulo 1: Diseño de Módulos Electrónicos Embebidos de Sensado, Procesamiento y Actuación de un Sistema Domótico .......................................... 11
Presentación ......................................................................................................... 12
1. Laboratorio de Prototipado Electrónico. .............................................................. 13
2. Requerimientos del Desarrollo Electrónico. ........................................................ 14
3. Descripción General de la Plataforma Electrónica Desarrollada. ........................... 15
3.1 Desarrollo de los Módulos Electrónicos Embebidos de Sensado. ..............................163.1.1 Módulo Sensor de Movimiento. .................................................................................... 163.1.2 Módulo Sensor de Humo, Temperatura y Humedad. ...................................................... 173.1.3 Módulo Sensor del Estado Puertas y Ventanas .............................................................. 193.1.4 Módulo Sensor de Inundación ....................................................................................... 19
3.2 Desarrollo de los Módulos Electrónicos Embebidos de Procesamiento. .................................................................................20
3.2.1 Módulo de Procesamiento Central. ............................................................................... 203.2.2 Módulo de Procesamiento para el Control de Periféricos .............................................. 253.2.3 Módulo de Procesamiento del Sistema de Control de Acceso ....................................... 30
3.3 Desarrollo de los Módulos Electrónicos Embebidos de Actuación. ........................................................................................32
3.3.1 Módulo de Control de Iluminación Dimerizable. ............................................................. 32
3.3.2 Módulo de Control de Cargas On - Off. .......................................................................... 32
Capitulo 2: Fabricación y Ensamble de Módulos Electrónicos .............................. 33
Presentación .......................................................................................................... 34
Metodología de fabricación y ensamble de las PCB’s .............................................. 35
Etapa 1: fabricación del circuito impreso ................................................................................. 36
Actividad 1. Ruteado, Perforado y Corte del Circuito Impreso. ......................................36
Actividad 2. Capa de Antisolder. ...................................................................................40
Actividad 3. Estañado de Cobre. ..................................................................................44
Actividad 5. Mascara de Componentes. .......................................................................45
Etapa 2: Ensamble de Componentes de Montaje Superficial ................................ 50
Actividad 1. Fabricación de Esténcil .............................................................................50
Actividad 2. Aplicación de Pasta de Soldar ...................................................................51
Actividad 3. Ubicación de Componentes de Montaje Superficial. ..................................53
Actividad 4. Soldadura por Reflujo. ..............................................................................54
Etapa 3: Ensamble de Componentes de Montaje Through Hole ............................ 55
Etapa 4: Test de Ensamble .................................................................................. 57
Actividad 1. Inspección Visual. ....................................................................................57
Actividad 2: Test de Continuidad. .................................................................................60
Actividad 3. Test de Nivel de Tensión ............................................................................61
Actividad 4. Test de Funcionamiento ............................................................................62
Comentarios de los Autores ................................................................................... 63
Bibliografía ............................................................................................................. 64
Figuras Capitulo 1: Diseño de Módulos Electrónicos Embebidos de Sensado, Procesamiento y Actuación de un Sistema Domótico
Figura 1. Bloque del CEAI – SENA. ....................................................................................13
Figura 2. Distribución de Dispositivos en el Laboratorio de Prototipado Electrónico .......................................................................................13
Figura 3. Modelo que Integra los Requerimientos de Desarrollo del Sistema Domótico y de los Módulos Electrónicos Embebidos. . ...........................14
Figura 4. Diagrama de Bloques Plataforma Hardware del Sistema Domótico Desarrollado. .........................................................................15
Figura 5. Comportamiento de Sensor de Movimiento vs Temperatura. ...............................18
Figura 6. Desarrollo de la Conexión del Sensor de Movimiento Sobre la Placa Base. ....................................................................18
Figura 7. Configuración de Pines y Conexión del Sensor MQ2. ...........................................17
Figura 8. Configuración de Pines y Curva de Sensibilidad del Sensor MQ-2 ........................17
Figura 9. a. Configuración de Pines. b. Desarrollo del Circuito Sensor de Humedad y Temperatura ...............................18
Figura 10. Respuesta del Sensor de Humedad y Temperatura. ...........................................18
Figura 11. Respuesta del Sensor de Humedad en Resistencia vs Temperatura. ..................18
Figura 12. Desarrollo del Circuito de Acondicionamiento del Sensor de Humedad y Temperatura. .............................................................19
Figura 13. Desarrollo del Circuito Sensor de Apertura de Ventanas y Circuito de Conexión Sobre la Placa Base. ......................................................19
Figura 14. Desarrollo del Circuito Sensor de Inundación. ...................................................20
Figura 15. Tarjeta Raspberry Pi 2 Modelo B+ ....................................................................20
Figura 16. Diagrama de Bloques Sistema de Procesamiento Central.. .................................21
Figura 17. Pantalla Táctil LCD ............................................................................................22
Figura 18. Conversor de USB/USART para Módulos XBee ..................................................22
Figura 19: Adaptador Bluetooth - USB................................................................................23
Figura 20. Adaptador Wifi. .................................................................................................24
Figura 21. Desarrollo de la Tarjeta de Expansión de la Raspberry Pi 2 Modelo B+ ..............24
Figura 22: Diagrama de Bloques del Circuito Placa Base. ...................................................25
Figura 23. Desarrollo de la Fuente de Voltaje Placa Base. ...................................................26
Figura 24. Desarrollo del Circuito Central de Control de Periféricos. ....................................27
Figura 25. Desarrollo de los Circuitos de: a. Control de una Carga On - Off ........................27
Figura 25. Desarrollo de los Circuitos de: b. Control de una Carga On – Off en Modo Conmutable. .......................................................................................27
Figura 26. Desarrollo del Impreso de los Circuitos de Control de una Carga On - Off. ......................................................................28
Figura 27. Desarrollo del Circuito de Comunicación Inalámbrica. ........................................28
Figura 28. Desarrollo del Circuito Indicador LED ................................................................29
Figura 29. Desarrollo del Circuito de Multiplexado ..............................................................28
Figura 30. Diagrama de Bloques Sistema de Control de Acceso .........................................30
Figura 31. Sensor Biométrico para Identificación de Huella Dactilar GTS11C3. ...................30
Figura 32. Adaptador Wifi - USB. .......................................................................................31
Figura 33. Desarrollo del Circuito del Módulo de Expansión de Entradas y Salidas Digitales del Sistema de Control de Acceso. .....................31
Figura 34. Desarrollo del Circuito de Control de Luminaria Dimerizable. ..............................32
Capitulo 2: Fabricación y Ensamble de Módulos ElectrónicosFigura 1. Metodología de Fabricación, Ensamble y Prueba de las PCB’s del Sistema Domótico. ....................................................................35
Figura 2. Metodología de Fabricación de una PCB. .............................................................36
Figura 3. Acceso al Menú de Generación de Archivos Gerber.. ...........................................37
Figura 4. Configuración del Archivo Gerber en Unidades de Pulgadas y Formato 2:4 ...................................................................37
Figura 5. Selección de los Archivos Gerber Requeridos para Crear los Layers ........................................................................38
Figura 6. Acceso al Menú de Generación de Archivos Gerber de Perforaciones ..................38
Figura 7. Configuración del Archivo Gerber en Unidades de Pulgadas y Formato 2:4. ..................................................................39
Figura 8. Archivos Gerber Generados. ................................................................................39
Figura 9. Proceso de Microfresado de PCB. .......................................................................40
Figura 10. Selección de los Archivos Gerber Requeridos para Crear los Layers de la Capa Antisolder .......................................................40
Figura 11. Impresión de Película para el Revelado del Antisolder.. .......................................41
Figura 12. Materiales Usados para la Capa Antisolder. ........................................................41
Figura 13. Pegado de Película Antisolsder Sobre PCB ........................................................42
Figura 14. Aplicación de Calor Sobre el Conjunto PCB y Película Antisolder. .......................42
Figura 15. Orden en que se Ubican los Elementos de Revelado de Antisolder. .....................43
Figura 16. Exposición con Luz UV de la Capa Antisolder.. ...................................................43
Figura 17. Revelado de la Capa Antisolder. .........................................................................43
Figura 18. Retirando Excesos de Capa Antisolder. ..............................................................44
Figura 19. Ejemplo PCB con Capa Antisolder. ....................................................................44
Figura 20. Aplicación Estaño Líquido. ................................................................................44
Figura 21. Limpieza de la PCB con Bicarbonato .................................................................44
Figura 22. Acabado de la PCB Después del Estañado Líquido ............................................45
Figura 23. Selección de Archivos Gerber de Máscara de Componentes ..............................45
Figura 24. Imprimir Máscara de Componentes en Acetato ..................................................46
Figura 25. Mezcla de Emulsión Fotosensible ......................................................................46
Figura 26. Aplicar Tinta Fotosensible en Canaleta de Aluminio ............................................47
Figura 27. Esparcir la Tinta Fotosensible Sobre la Seda. .....................................................47
Figura 28. Secado de Seda y Recolección de la Tinta Fotosensible Sobrante ......................47
Figura 29. Exposición de la Capa de Máscara de Componentes a Luz UV ...........................48
Figura 30. Revelado de Seda con Capa de Máscara de Componentes. ...............................48
Figura 31. Secado de Seda ................................................................................................48
Figura 32. Conjunto Seda PCB ...........................................................................................49
Figura 33. Estampado de Máscara de Componentes Sobre PCB ........................................49
Figura 34. Secado de Tinta de Máscara de Componentes ..................................................49
Figura 35. Metodología de Ensamble de Componente SMD en una PCB .............................50
Figura 36. Selección de Archivos Gerber de Máscara de Soldadura ....................................50
Figura 37. Fabricación de Plantilla para Aplicación de Soldadura. .......................................51
Figura 38. Ubicación de Esténcil Sobre Máquina Protoprint ................................................51
Figura 39. Extracción de la Base de la Máquina Protoprint que Soporta la PCB ...................52
Figura 40. Ubicación de la PCB en la Base de Máquina Protoprint. .....................................52
Figura 41. Ajuste del Esténcil Sobre la PCB ........................................................................53
Figura 42. Aplicación de la Soldadura en Pasta Sobre la PCB. ............................................53
Figura 43. Ubicación de la PCB Sobre la Base de la Máquina ProtoPlace ............................54
Figura 44. Ubicación de los Componentes SMD en la PCB. ...............................................54
Figura 45. Encendido y Ajuste de Temperatura del Horno de Reflujo LPKF® ProtoFlow ....................................................................54
Figura 47. Ejemplo de una Guía de Ensamble de Componentes en PCB ..............................55
Figura 48. Secuencia de Ensamble Según la Altura del Componente. ................................55
Figura 49. Secuencia de Soldadura en Componentes Through Hole (THT) ..........................56
Figura 50. Test de Prueba de una PCB Ensamblada ............................................................57
Figura 51. Errores Comunes en la Ubicación de Componentes ...........................................58
Figura 52. Alineación Adecuada en la Ubicación de Componentes ......................................58
Figura 53. Error de Alineación en la Ubicación de Componentes .........................................58
Figura 54. Error Aplicación de Soldadura en Componentes Through Hole. ..........................59
Figura 55. Soldadura Fría vs Soldadura Correcta ................................................................59
Figura 56. Adecuada Soldadura vs Deficiente Soldadura en Componentes SMD.. ...............59
Figura 57. Test de Continuidad un Circuito Electrónico. ......................................................60
Figura 58. Pistas aisladas. .................................................................................................60
Figura 59. Punto de Soldadura Fraccionado. ......................................................................61
Figura 60. Soldadura Deficiente. ........................................................................................61
Figura 61. Cortocircuito entre Pads de Soldadura. ..............................................................61
Figura 62. Ejemplos de Puntos de Prueba. .........................................................................62
Figura 63. Ejemplo de Guía Test de Niveles de Tensión. ......................................................62
Figura 64. Ejemplo Guía Test de Funcionamiento. ...............................................................62
Capitulo 1: Diseño de Módulos Electrónicos Embebidos de Sensado, Procesamiento y Actuación de un Sistema Domótico
Tabla 1. Características del Módulo Conversor de USB/USART para Módulos XBee® ............................................................................................23
Tabla 2. Configuración del Conector de Periféricos y Funciones Asignadas a los Puertos del ATXMEGA32A4U. .....................................26
Tabla 3. Funciones Asignadas a los Puertos del XBee® serie 2. ..........................................29
Tablas
9
Introducción
La tecnología de la automatización aplicada al hogar para brindar mayor bienestar a quienes lo habitan, es conocida comúnmente como la domótica. Esta, la podemos definir como el “sistema de tecnologías integradas, capaces de sensar, controlar y manipular variables de una edificación como la temperatura, iluminación, humedad relativa, consumo energético, presencia, entre otras, con el fin de mejorar el confort y la seguridad de sus ocupantes.
En la actualidad, los sistemas domóticos se apoyan sobre distintas áreas del conocimiento y tecnologías, entre las que se reconocen: i) la electricidad, como la base del sistema que integra los servicios energéticos, ii) la electrónica, como parte fundamental en el desarrollo de módulos electrónicos embebidos, y iii) la teleinformática, como la plataforma que integra el sistema, en el que los usuarios pueden comunicarse a través de dispositivos móviles (smartphone o tablets), para programar logicas de medida, control y seguridad, así como para operar el sistema domótico de manera remota.
Conscientes de la importancia que posee la domótica en el campo de la automa-tización de viviendas y pequeños edificios, el Área de Innovación y Competitividad del CEAI – SENA, desarrolló un proyecto de investigación, que integra tres de sus tecnológias medulares como son: la electricidad, la electrónica y las TIC. El proyecto de investigación aplicada, desarrollo tecnológico e innovación, que fue financiado por SENNOVA – SENA en el año 2014, con el nombre de “Desarrollo e Implementación de un Sistema de Control Eléctrico Eficiente y Automatizado, Basado en el Uso de Electrónica Embebida y de Aplicaciones Teleinformáticas Multiplataforma”, tiene como objetivo desarrollar e implementar una solución domótica para un ambiente de investigación del CEAI.
Como resultado del componente electrónico del proyecto, se deriva el “Manual de Diseño de Módulos Electrónicos Embebidos de Sensado, Procesamiento y Actua-ción de un Sistema Domótico”, en el que se describe el desarrollo tecnológico y se hace referencia a los aspectos relacionados con el diseño, fabricación y ensamble de los módulos electrónicos embebidos de sensado, procesamiento y actuación. La descripción de la plataforma electrónica que soporta el sistema domótico, se realiza por medio de diagramas de bloques y esquemáticos de los módulos que la conforman.
El manual se encuentra estructurado en dos capítulos: El Capítulo 1 se refiere al “Diseño de Módulos Electrónicos Embebidos de Sensado, Procesamiento y Ac-tuación de un Sistema Domótico” y el Capítulo 2 a la “Fabricación y Ensamble de Módulos Electrónicos”.
10
El manual se constituye en una guía de desarrollo, implementación y uso, que fue elaborada con el aporte de aprendices, instructores y profesionales vinculados al área de innovación y competitividad del CEAI; específicamente al grupo de inves-tigación denominado “Unidad de Investigación Aplicada, Desarrollo Tecnológico e Innovación”, UIADTI y al “Semillero de Investigación de Electrónica, Instrumentación y Automatización”, SIEIA.
El manual hace parte de un conjunto de tres obras, en las que se divulgan los desarrollos tecnológicos derivados del proyecto de “Desarrollo e Implementación de un Sistema de Control Eléctrico Eficiente y Automatizado, Basado en el Uso de Electrónica Embebida y de Aplicaciones Teleinformáticas Multiplataforma”, con los nombres de: 1. Manual de Desarrollo Eléctrico de un Sistema Domótico, 2. Manual de Desarrollo de Módulos Electrónicos Embebidos de un Sistema Domótico y 3. Manual de desarrollo de Aplicaciones Teleinformáticas de un Sistema Domótico.
El contenido textual y gráfico del manual puede ser tomado como referencia y debe ser citado formalmente, por parte de los aprendices, estudiantes, ingenieros, diseñadores e interesados, que tengan el propósito de referir o documentar sus proyectos en aspectos relacionados con el diseño de aplicaciones informáticas multiplataforma.
CAPÍTULO 1
Diseño de Módulos Electrónicos Embebidos de Sensado,
Procesamiento y Actuación de un Sistema Domótico
12
En el cápitulo de diseño de módulos electrónicos embebidos, inicialmente se referencia el laboratorio de prototipado, como el lugar donde se implementa el desarrollo tecnológico. Seguidamente, se establecen los requerimientos del desarrollo y se realiza la descripción general de la plataforma, en sus componentes de sensado, procesamiento y actuación.
La plataforma electrónica se describe haciendo referencia a los diagramas de bloques y esquemáticos de los módulos que la conforman (diseñados en Altium). Esto le permite al lector entender, de forma rápida, cada una de las características y configuraciones del diseño electrónico, que tambien fue realizado en Altium, mediante el uso de módulos de procesamiento central Raspberry Pi 2 B+, placas base ATXMEGA32A4U, módulos de conexión inalámbrica Xbee®, entre otros.
Presentación
13
1. Laboratorio de Prototipado Electrónico
El laboratorio de prototipado electrónico se encuentra ubicado en el segundo piso del bloque del CEAI, localizado en el complejo del SENA, barrio Salomia, de la ciudad de Cali. Ver Figura 1.
El laboratorio de prototipado electrónico tiene un área de aproximadamente 200 m². Los dispositivos que conforman el sistema domótico serán instalados en algunos de los puntos mostrados en la Figura 2.
Figura 1. Bloque del CEAI – SENA. Fuente: UIADTI – CEAI.
Figura 2. Distribución de Dispositivos en el Laboratorio de Prototipado Electrónico, CEAI – SENA. Fuente: UIADTI – CEAI
14
2. Requerimientosdel Desarrollo Electrónico
Una vez identificadas las características locativas del laboratorio de prototipado electrónico y las posibi-lidades que brindan las tecnologías eléctrica, electrónica y teleinformática para el desarrollo del sistema domótico, se elabora el modelo que integra los requerimientos de desarrollo del sistema domótico y de los módulos electrónicos embebidos. Ver Figura 3.
Los requerimientos técnicos definidos para el diseño y la implementación de los módulos son:
• Los módulos electrónicos deben ser diseñados para implementar sistemas orientados a la eficiencia energética, confort y la seguridad del ambiente.
• La eficiencia energética de los módulos está relacionada con el diseño de dispositivos de bajo consumo de energía y con el control automático de su uso.
• El confort está asociado al uso de la ventilación natural y forzada para mantener la temperatura y en la utilización de iluminación fija y regulada en el ambiente.
• La seguridad está relacionada con la manipulación motorizada del acceso, la observación remota de los usuarios por medio de cámaras y la activación de alarma en el ambiente.
• Los desarrollos electrónicos de los módulos de sensado, procesamiento y actuación están basados en el uso de componentes electrónicos embebidos de tecnología de ensamble superficial.
• Los prototipos de sensado y actuación tienen como base de desarrollo un microcontrolador. • La comunicación de los dispositivos se realiza mediante el uso de un protocolo inalámbrico. • La configuración y operación del sistema domótico se realiza mediante el uso de dispositivos móviles.
Figura 3. Modelo que Integra los Requerimientos de Desarrollo del Sistema Domótico y de los Módulos Electrónicos Embebidos. Fuente: UIADTI – CEAI.
SMS Center
USB
Serial
M. Energía
Ventilación
Gas Natural
Humo
Presencia
Temperatura
Sensor de Puertas
Iluminación
Persianas Motorizadas
Alarma Sonora
nsor de
Internet
ZigBee
MódemGSM
Raspberry PI-(Computador
Central)
XBEEExplorer
15
3. Descripción General de la Plataforma Electrónica Desarrollada
De acuerdo con las especificaciones dadas, el sistema electrónico que conforma la plataforma hardware del sistema domótico está integrado por una CPU y por los periféricos mostrados en el diagrama de bloques de la Figura 4. En dicho diagrama se pueden identificar: i) un módulo de procesamiento central que está soportado en una tarjeta de desarrollo Raspberry Pi 2 B+ y es usado para controlar todos los pe-riféricos del sistema; ii) un conjunto de sensores dispuestos para el sensado de las variables del sistema; y iii) un conjunto de actuadores utilizados para la manipulación de las variables que proporcionan los flujos de energía o cambios de estado de dispositivos encargados del confort en el ambiente.
La conexión entre estos periféricos y la CPU se realizará de forma inalámbrica, utilizando módulos de comunicación con tecnología XBee®, encargados del flujo bidireccional de la información entre cada uno de los periféricos y el módulo central.
Figura 4. Diagrama de Bloques Plataforma Hardware del Sistema Domótico Desarrollado.Fuente: UIADTI – CEAI.
Internet
MóduloConsumo de Energía
MóduloPantalla_HDMI Táctil
MóduloDetector Gas Natural
MóduloCerradura Electrónicaa
MóduloApertura Puertas
MóduloCámara WIFI
MóduloCelular
MóduloTablet
MóduloDetector Humo
MóduloDetector Inundación
MóduloDetector Movimiento
MóduloAlarma
MóduloApertura de Ventanass
MóduloPersianas
MóduloAire Acondicionado
MóduloLuminarias
MóduloSensor Crepuscular
MóduloSensor TemperaturaHumedad
MóduloSensor Apertura dePuertas y Ventanas
MóduloReconocimientoDáctilar
Fuente deAlimentación
Memoría SD CARD32GB
Módulo de Procesamiento Central
Sensores
Actuadores
CPURaspberry PI 2 B+
Ethernet
Tarjeta InalámbricaXBee - PRO
Tarjeta InalámbricaWiFi
Tarjeta InalámbricaBluetooth
HUB USB
LAN
®
16
3.1 Desarrollo de los Módulos Electrónicos Embebidos de Sensado
3.1.1 Módulo Sensor de Movimiento
Para detectar movimiento en el ambiente de prototipado electrónico, se utiliza un sensor PIR (infrarrojo pasivo), referencia #555-28027 de Parallax®. El principio de funcionamiento de este dispositivo pi-ro-eléctrico es el de generar cambios en la niveles de infrarrojos (calor radiante), emitidas por los objetos circundantes o en movimiento. Este movimiento puede ser detectado por la comprobación del cambio repentino en el patrón IR circundante. Cuando se detecta movimiento, el sensor PIR emite una señal digital de nivel alto. El comportamiento del sensor de movimiento vs temperatura se representa en la Figura 5 y la conexión del sensor de movimiento sobre la placa base desarrollada para los periféricos de entrada y salida en la Figura 6.
Figura 5. Comportamiento de Sensor de Movimiento vs Temperatura. Fuente: www.parallax.com
VCC
OUT
GND
VCCGND
S1PIR Sensor
P1Header 6
1 2 3 4 5 6
Figura 6. Desarrollo de la Conexión del Sensor de Movimiento Sobre la Placa Base.Fuente: UIADTI – CEAI.
17
3.1.2 Módulo Sensor de Humo, Temperatura y Humedad
Este sistema sensor está desarrollado para realizar la medición de tres variables: humo, temperatura y humedad en un solo circuito electrónico.
• Módulo Sensor de Humo
Es utilizado para la detección de humos y fugas de gas producidos por equipos comerciales e indus-triales. El dispositivo seleccionado es de la referencia MQ2 de HAMWEI® Electronics, que es adecuado para detectar gases como: LPG, i-butano, propano, metano, alcohol, hidrógeno y humo. La conexión electrónica básica recomendada por el fabricante se muestra en la Figura 7.
Teniendo en cuenta que la señal de salida (Vout) no puede ser mayor de 3.3V por la limitante que tienen los puertos tanto digitales como análogos del micro ATXMEGA32A4U al que va a ser conectado el sensor en la placa base desarrollada para los periféricos de entrada y salida, esta señal se hace pasar por un circuito que cumple, entre sus funciones, con acoplar impedancias y limitar el voltaje de salida a máximo 3.3V. El desarrollo del circuito se muestra en la Figura 8.
Figura 7. Configuración de Pines y Conexión del Sensor MQ2. Fuente: http://www.hwsensor.com/
A
12
S1
+5V
R3
Humo
GND GND
5K
MQ-2
34
56 ABB
Figura 8. Configuración de Pines y Curva de Sensibilidad del Sensor MQ-2 para Gases con una Temperatura de 20°C, Humedad del 65%, Concentración O2 al 21% y una RL =5KΩ. Fuente: http://www.hwsensor.com/
18
• Módulo Sensor de Temperatura y Humedad
Para medir la temperatura y humedad se usa un solo sensor de referencia HSM20G. El diagrama de configuración de pines y el desarrollo del circuito sensor de humedad y temperatura se muestran en la Figura 9.
a. Distribución de pines b. Acondicionamiento de señal
Figura 9. a. Configuración de Pines. Fuente: http:www.arduinosensors.com b. Desarrollo del Circuito Sensor de Humedad y Temperatura. Fuente: UIADTI – CEAI.
Para mejor interpretación de las señales de respuesta entregadas por dichos sensores, se toman como referencia las curvas entregada por el fabricante, que son mostradas en las Figuras 10 y 11.
%RH10 0.74
0.95
1.31
1.68
2.02
2.37
2.69
2.99
3.19
20
30
40
50
60
70
80
90
V
Figura 10. Respuesta del Sensor de Humedad y Temperatura. Fuente: http:www.arduinosensors.com
Figura 11. Respuesta del Sensor de Humedad en Resistencia vs Temperatura. Fuente: http:www.arduinosensors.com
Temperatura
(°C)
0 163.81
97.10
59.42
47.00
37.43
24.19
16.01
10.83
10
20
25
30
40
50
60
Resistencia(k )
En el caso de la humedad relativa, la ecuación que representa su comportamiento es:
% RH = 31* Volt – 12
Hum
ed
Tem
p2
Sensor H-THSM-20G
GND
C1
R1
R2100K
+
10uF
10K
GND
GND
VCC
1 2 3 4
19
En el caso del sensor de temperatura, la expresión que relaciona los valores de resistencia con la temperatura es:
T(°C) = 281,583*(1,023^(1/R))*(R^-0,1227) -150,6614
Donde R= ((5-Vout)*10)/Vout
El desarrollo del circuito de acondicionamiento del sensor de humedad y temperatura, se muestra en la Figura 12.
Figura 12. Desarrollo del Circuito de Acondicionamiento del Sensorde Humedad y Temperatura. Fuente: UIADTI – CEAI.
3.1.3 Módulo Sensor del Estado Puertas y Ventanas
Para la detección del estado de las ventanas y de las puertas se usa como elemento principal un sensor On-Off inductivo de referencia CTS1204NA de SICK®, cuyo circuito interno trabaja con un transistor PNP. El componente mostrado en la Figura 13 trabaja como interruptor normalmente abierto.
GND
Q
D
SensorNegro
Azul
Marron12V
Elemento sensorInductivo
D 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
GND
VCC
Header 26
Sensor
R1
R2
26K
10K
12V
CN1
GND
GND
CN3
CN2
GND
12
123
Figura 13. Desarrollo del Circuito Sensor de Apertura de Ventanas y Circuito de ConexiónSobre la Placa Base. Fuente: UIADTI – CEAI.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
+3.3V3.3V
GND
Temp1
Temp2
Hum
ed
Hum
o
+5V
P1.0 P1.1
5V
A
12
S1
+5V
R3
Humo
GND GND
5K
MQ-2
34
56 ABB
GND
GND+Vs Vout
VCC
LM35
Q1Temp1
1
23
Hum
ed
Tem
p2
Sensor H-THSM-20G
GND
C1
R1
R2100K
+
10uF
10K
GND
GND
VCC
1 2 3 4
20
3.1.4 Módulo Sensor de Inundación
Para la detección de inundación, a la placa base desarrollada para los periféricos de entrada y salida se conecta un sensor de muy bajo costo, cuyo principio de funcionamiento se basa en usar la conducti-vidad eléctrica del agua para que se comporte como un interruptor normalmente abierto. El desarrollo electrónico del circuito sensor de inundación se muestra en la Figura 14.
Figura 14. Desarrollo del Circuito Sensor de Inundación. Fuente: UIADTI.
3.2 Desarrollo de los Módulos Electrónicos Embebidos de Procesamiento
3.2.1 Módulo de Procesamiento Central
El módulo central de procesamiento central, encargado de gestionar el sistema domótico, está montado sobre la tarjeta Rasberry Pi 2 Modelo B+, mostrada en la Figura 15. Mediante este módulo se interactúa con el usuario a través de una plataforma informática desarrollada en aplicaciones de bajo y alto nivel.
Figura 15. Tarjeta Raspberry Pi 2 B+.
VCC
a
b
SH
R2
10K
GND
S1Sensor Humedad
a
b
21
En la memoria de este dispositivo se ejecuta el sistema operativo Linux Raspbian y sobre éste se eje-cutan, entre otras, las siguientes tareas:
• Acceso local por medio de pantalla LCD táctil.
• Acceso a los periféricos por medio de la red XBee®.
• Acceso a la red wifi para interactuar con dispositivos móviles y PC’s.
• Acceso a dispositivos por medio de la red de dispositivos Bluetooth .
• Acceso al sistema desde Internet.
• Configuración general del sistema.
De acuerdo con la arquitectura del desarrollo del sistema electrónico, para permitir la conectividad y la manipulación del sistema central (Rasberry Pi 2 Modelo B+) es necesario conectarle algunos accesorios que le darán acceso a los diferentes medios de comunicación de manera alámbrica como inalámbrica.
La arquitectura, los elementos que conforman el sistema de procesamiento central y el puerto físico que requiere la Raspberry Pi 2 B+, para la conexión de los diferentes medios de comunicación son mostrados en el diagrama de bloques de la Figura 16.
Cada uno de los dispositivos que conforman el sistema de procesamiento central se describen a continuación:
• Pantalla LCD Táctil:
La pantalla táctil, de referencia LCDAT070TN90 de VS Display Technology®, se utiliza como interface de usuario para visualizar el estado de los sensores y manipular los actuadores del sistema. La pan-talla LCD tiene conexión de video por el puerto HDMI y la conexión de la membrana táctil por medio de un puerto USB. La pantalla táctil y los accesorios requeridos para la conexión con el sistema Raspberry Pi 2 B+, se muestran en la Figura 17.
Figura 16. Diagrama de Bloques Sistema de Procesamiento Central. Fuente: UIADTI – CEAI.
Raspberry PI 2 B+
Pantalla LCD
Pantalla Táctil
Tarjeta deEntradasy salidasdigitales
TarjetaInalámbricaWiFi
TarjetaInalámbricaBluetooth
ConversorUSB/USART
(FT232)
Módulo XBeePRO Serie 2
Conversorde RS232
a TTL(MAX232)
Tarjeta de expansión
USBUSB
USB
USBHDMI
GPIO
USART
ATN070TN90
®
22
• Módulo de Conexión Inalámbrica XBee:
El módulo XBee® se utiliza para conectar de manera inalámbrica los dispositivos de la plataforma que funcionan como periféricos con el sistema central. El módulo XBee® usa el estándar Zigbee como pro-tocolo de comunicación para redes wireless de pequeños paquetes de información y es seguro, fiable y de bajo consumo. La conexión del módulo XBee® PRO a la Raspberry Pi 2 B+ se hace por medio del conversor USB/USART, mostrado en la Figura 18, que usa como dispositivo central un FT232 para con-vertir las señales de transmisión y recepción serial de XBee® a señales apropiadas para el estándar USB.
Figura 17. Pantalla Táctil LCD. Fuente: http:www.amazon.com
Figura 18. Conversor de USB/USART para Módulos XBee. Fuente: http:www.digi.com
XBee -PROAdaptadorXBee /USB
FT232
RaspberryPi 2 B+
USART USB®
®
23
• Tarjeta Bluetooth:
Para establecer la conexión de la tarjeta Raspberry Pi 2 B+ con dispositivos que usan el estándar Bluetooth, se usa un adaptador de Bluetooth – USB. Ver Figura 19.
Figura 19: Adaptador Bluetooth - USB. Fuente: http:www.pccomponentes.com
Tabla 1. Características del Módulo Conversor de USB/USART para Módulos XBee.Fuente: http:www.digi.com
Specification
Performance
Outdoor line-of-sigth Range
Indoor line-of-sight Range
Up to 6 miles (9.6km) w/dipole antennaUp to 15 miles (24km) w/high-gain antenna
(Software selectable, includes non-standard baud rates)125 - 65,000 bps
up to 1200ft (370m)
3.0 - 3.6 VDC regulated
65mA
265mA
50µA
9,600 bps10Kbps
100mW(+20 dBm)-106dBm
Interface Data Rate
Throughput Data Rate
Power Requirements
RF Data Rate
Transmit Power Output
Receiver Sensitivity
Supply Voltage
Receive Current
Transmit Current
Power Down Current
XBee -PRO XSC (900 MHz)OEM RF Module
®
AdaptadorBluetooth/USB
RaspberryPi 2 B+
USB
24
• Tarjeta Wifi:
El adaptador Wifi/USB, mostrado en la Figura 20, es utilizado para permitir a la Raspberry Pi 2 B+ acceder a redes Wifi. Su conexión se realiza por medio del puerto USB.
• Tarjeta de Expansión para Manipular Señales de Entrada y Salida:
Para ampliar la capacidad de adquisición de la Rasberry Pi y poder manipular señales de entrada y salida digitales, se diseñó la tarjeta de expansión mostrada en la Figura 21. Esta tarjeta se conecta al puerto GPIO de la Raspberry Pi y cuenta con dos entradas digitales, dos salidas digitales a relé y un puerto de comunicación serial RS232.
Figura 20. Adaptador Wifi. Fuente: www.raspberrypi.org
Pin Función
GPIO2 Piloto 1
Piloto 2
Rele 1
Rele 2
Entrada Digital 1
Entrada Digital 2
TX
RX
GPIO3
GPIO4
GPIO17
GPIO22
GPIO23
UARTO_TXD
UARTO_RXD
a) Conector de expansión de Raspberry Pi B+
c) Circuito de salidas a relé d) Circuito de comunicación serial
b) Distribución de Pines
GND GND
UARTO TXDUARTO TXD
UARTO RXDUARTO RXD
Raspberry
GPIO2GPIO3GPIO4
GPIO2GPIO3GPIO4
GPIO17GPIO27GPIO22
GPIO17GPIO27GPIO22
13579111315171921232527293133353739
2468
10121416182022242628303234363840
P13V3 +5V
GND
CN3
12
12V
GPIO4 GPIO4 R3
RelRelay-SPDT
Q12N39041K GND
GND
Salida RS232
P2
UIMAX3232
C1
C1+C1-C2
C2+C2-
V+V-
C5C4
+5V
+5V
+5V
C3
10uF
10uF
10uF
10uF
10F
GND
1
1
16
2
2
3
3
4
4
5
6
7
89
1011
12 13
15
14
C1+
C2+C2-
+VV-
T1 OUTT2 OUT
T1 INT2 IN
UART0_TXD
UART0_RXD R1 INR2 IN
R1 OUTR2 OUT
VCC
GN
D
C1-
Figura 21. Desarrollo de la Tarjeta de Expansión de la Raspberry Pi B+. Fuente: UIADTI – CEAI.
RaspberryPi 2 B+
USBAdaptadorWIFI/USB
25
3.2.2 Módulo de Procesamiento para el Control de Periféricos
Cada periférico es controlado por un circuito electrónico que en este manual se identifica como placa base, desarrollada para los periféricos de entrada y salida o para los módulos de sensores y actuadores. Las funciones asociadas a dicho módulo son:
• Leer la señal de los sensores digitales.
• Leer y digitalizar las señales de los sensores análogos.
• Generar señales PWM para los drivers de los actuadores que lo requieren.
• Activar salidas On-Off a relé para actuadores que lo requieran, con funciones de encendido y apagado de aire acondicionado, entre otros.
• Establecer comunicación inalámbrica, usando un módulo XBee® serie 2, con el módulo de proce-samiento central, implementado con una tarjeta electrónica Rasberry Pi 2 B+.
• Placa Base
La placa base es un circuito electrónico genérico que posee un microcontrolador de la marca ATMEL, cuya referencia es ATXMEGA32A4U y que se encarga de: i) procesar las señales provenientes de los diferentes sensores del sistema domótico, entre los que se hallan: sensores de temperatura, humedad, detección de humo, entre otros; y ii) generar las señales para manipular los actuadores de apertura y cierre de ventanas y puertas, así como el encendido o apagado del aire acondicionado, iluminación, entre otros.
El diagrama de bloques y el circuito impreso de la placa base, se muestran en la Figura 22. En las figuras siguientes se presentan un conjunto de diagramas de los circuitos electrónicos desarrollados para la placa base, por la UIADTI – CEAI, SENA.
TarjetaInálambricaXBEE-PRO
Puerto para Periféricos
Salidas digitalesa Relé
CPUATXMEGA32A4U
Fuente deAlimentación
Figura 22: Diagrama de Bloques del Circuito Placa Base. Fuente: UIADTI – CEAI.
Vista superior Placa Base Vista inferior Placa Base
26
• Circuito de Regulación del Voltaje de Entrada en la Placa Base
Garantiza un nivel de tensión de 5 V para valores de tensión de entrada entre los 9 V y 12 V. Ver Figura 23.
• Circuito Central de Control de Periféricos
El sistema placa base contiene un circuito central de control de periféricos desarrollado mediante el microcontrolador ATXMEGA32A4U y está encargado de gestionar los periféricos de entrada y salida del sistema domótico. El microcontrolador está montado sobre un circuito impreso auxiliar denominado “Sistema de entrenamiento ATXMEGA32A4U”, descrito más adelante.
Adicionalmente, este circuito cuenta con un conector de periféricos en el que se ensamblan las tarjetas que controlan los sensores y actuadores, según sea la aplicación. La configuración del conector de periféricos y las funciones asignadas a los puertos del ATXMEGA32A4U se muestran en la Tabla 2. El desarrollo electrónico de estos conectores se muestra en la Figura 24.
GND
S6
100uF
R1
16V
2.2
0.1uF
1W
16V
U1
22uF
78M05
0.1uF22uF 2.2uF50V 0.1uF47uF 0.1uF 0.1uF50V 22pF
GND
1
12 23
C3C1 C2C4
C5C6
C7R2C8 C12 C13 C14
CN1
D1
J2
VCC in
VCC
1K
+5V
Test Point
Test Point
GND
V in V out
12
Figura 23. Desarrollo de la Fuente de Voltaje Placa Base. Fuente: UIADTI – CEAI.
Tabla 2. Configuración del Conector de Periféricos y Funciones Asignadas a los Puertos del ATXMEGA32A4U. Fuente: UIADTI - CEAI.
PB1
PA4/
AD2
PA5/
AD1
PA6
PA7
PE0
PE1
PE2
PE3
PA1
PD4
PD5
PB0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
CONECTOR DE PERIFÉRICOS
13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26Pin
Func
ión
Puer
to
GND
RX2
TX2
GND
DACO
PWM
0
PWM
1
3.3V5V
CONT
R
RS GND E NC NC NC NC D4 D5 D6 D7 BL GND
SDA
SCL
GND
1 2 3 4 5 6 7
Rele1
LEDO
NC NC
SW3 SW4
RX2 TX2
Rele2
LED1
D4/AN2/DATA(dht) D5/AN3/Temp
RX/xbee
D6/IOD1/Mov
sel_uc/xbee
PWM1
XBEE-DTR
PWM0 D-
TX/xbee
D+
D7/IOD2
0
Lbatt
E/Cx0
NC
SW1
SDA
DACO
RS/pwm
NC
SW2SCL
FUNCIONES ASIGNADAS A LOS PUERTOS DEL MICRO ATXMEGA32A4U
PUERTO
PORTA
PORTB
PORTC
PORTD
PORTE
La función no puede ser modificada en el circuito
La función puede ser modificada de acuerdo al periférico que se le conecte a la placa base
27
• Circuito de Control de Cargas On - Off
El circuito (a), a la izquierda de la Figura 25 se utiliza para el control de una carga On - Off en DC (30V, 2A) o en AC (125V, 1A), y el circuito (b) el control de este mismo tipo de carga, pero en modo conmutable. Dichos circuitos cuentan con un interruptor externo con las mismas características de voltaje y corriente.
GND
+5V
+5VCN5
PI10K
Conector de Periféricos
GND
GND
+5V
+3.3V
R14
1KRS E D4 D5 D6 D7
SDA
SCL
RX2
TX2
DAC0
PWM
0PW
M1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
GND
S1
S2
S3
S4
SW_SMD
SW_F0
SW_F1
SW_F2
SW_F3
SW_SMD
SW_SMD
SW_SMD
GND
SW F1SW F2
SW F0
GND
GND
GND
GND
+3.3V
+5V
U2ucDSD6D7ERSLED0LED1
1234
44434241
56789
10
4039383736353433323130292827262524
111213141516171819202122
COL 0COL 1COL 2COL 3
DTRuc xTXRX
E_ATEMEGA
Sistema de Entrenamiento ATXMEGA32A4U
23
PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3GND3.3VPCOPC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7GND3.3VPD0PD1PD2
PA4PA3PA2PA1PA0
AVCCGND
NCNCNCNC
PE3PE2
Vin_EXGNDPE1PE0PD53.3VGNDPD4PD3
ucD4ucRele2ucRele1DAC0LBATT
TX2RX2
SCLSDA
PWMI
PWM0SW F3
TestPoint
J4
Figura 24. Desarrollo del Circuito Central de Control de Periféricos. Fuente: UIADTI – CEAI.
F1
C100.1uF 250V
R111001W
RL1 11
L1
N1 CN2
CN3
Fase
Neutro
Carga_on_off
1
1
2
2
1396
84
+5V
161
RELE_5V
D7
Diode 1N4148
Rele1 R10 1
1K
BQ2(MMBT2222A-TP)
GND
+5V
161
RELE_5V
D8
Diode 1N4148
Rele2 R12 1
1K
BQ2(MMBT2222A-TP)
L2 13
RL2 11
96
48
F2
N2L2
FaseNeutroCarga_conm
123
CN4
C110.1uF 250V
R131001W
Figura 25. Desarrollo de los Circuitos de: a. Control de una Carga On - Off b. Control de una Carga On – Off en Modo Conmutable. Fuente: UIADTI.
28
El desarrollo del impreso de los circuitos de control de una carga On - Off se muestra en la Figura 26.
Figura 26. Desarrollo del Impreso de los Circuitos de Control de una Carga On - Off. Fuente: UIADTI - CEAI.
• Circuito de Comunicación Inalámbrica
Para realizar la comunicación de los datos de un periférico hacia la CPU de todo el sistema, el microcontro-lador ATXMEGA32A4U, mostrado en la Figura 27, usa un dispositivo XBee® serie 2. Este módulo permite la conexión inalámbrica por medio del protocolo Zigbee. En el sistema se pueden manipular algunos de los periféricos, como las cargas On - Off, de forma autónoma o dirigida por el micro ATXMEGA. En la Tabla 3 se muestran las funciones asignadas a los puertos del XBee® serie 2.
+3.3V
GND
TX
0.1uFC9
ON_SLEEP
DTR
xD5xD4
XRele1XRele2
LBATT
GND
+3.3V
RST16
GND 10
VCC 1
AD411
PWM06
PWM17
RESET5
DO84
AD218
DOUT2
AD020
AD317
DIN/CONFIG3
AD119
VREF 14
DTR9
CTS12
ON/SLEEP13
AD515
U3
XBEE
LED2LED3
RX
1 23 4
S5
SW_SMD
Figura 27. Desarrollo del Circuito de Comunicación Inalámbrica. Fuente: UIADTI – CEAI.
29
• Circuito Indicador LED
La tarjeta base cuenta con 5 LED, que permiten indicar el estado de algún proceso según se configure en cada aplicación. En la Figura 28 se muestra el desarrollo del circuito.
• Circuito de Multiplexado
Para realizar un sistema de control de periféricos flexible, que permita realizar prácticas con el micro-controlador ATXMEGA32A4U o con el dispositivo de comunicaciones XBee®, se plantea un sistema de multiplexado. Con este sistema se pueden controlar 2 cargas ON/OFF y 2 puertos digitales a través del interruptor análogo 74VHC4066. Como ejemplo, en la Figura 29 se presenta el circuito para controlar una carga ON/OFF. Para definir qué dispositivo toma el control de los periféricos, se debe activar el pin PC5 del microcontrolador; si este se activa en 0, toma el mando el XBee®, y si se activa en 1, toma el control el microcontrolador.
AD0 AD1 AD2 AD4AD3
SW
SW
La función no puede ser modificada en el circuito
La función puede ser modificada de acuerdo al periférico que se le conecte a la placa base
DOUTD IN PWM0 PWM1
D4
LED2
D5
Tx/uCRx/ uCRELE2 LED3
RELE1LBATT
FUNCIONES ASIGNADAS A LOS PUERTOS DEL XBEE SERIE2
Tabla 3. Funciones Asignadas a los Puertos del XBee® serie 2. Fuente: UIADTI - CEAI.
D3
D2
D6D5D4
ATXMEGA32AU4PB3
PB2
ON/SLEEPPWM1PWM0
XBEE
LED PUERTO DISPOSITIVO
Figura 28. Desarrollo del Circuito Indicador LED. Fuente: UIADTI – CEAI.
Figura 29. Desarrollo del Circuito de Multiplexado. Fuente: UIADTI – CEAI.
Rele1
ucRele1
xRele1
CNTL13
IN/OUT1 OUT/IN 2
U4A
CNTL5
OUT/IN 3IN/OUT4
U4B
74VHC4066M
74VHC4066M
10K
R15SMD
GND
+3.3V
xbee
uc_x
1K_SMD
R16B1
MMBT2222A-TPQ3
30
3.2.3 Módulo de Procesamiento del Sistema de Control de Acceso
Para el sistema de control de acceso se usa como módulo central un desarrollo electrónico embebido basado en el uso de la Raspberry Pi, que se encarga de controlar los siguientes periféricos:
• Pantalla LCD táctil con puertos HDMI - USB
• Lector de huella digital con puerto USB
• Conexión Wifi con puerto USB
• Tarjeta de entradas y salidas digitales conectada al puerto GPIO
El diagrama de bloques del sistema de control de acceso se muestra en la Figura 30.
• Pantalla LCD Táctil
Se usa la pantalla de referencia ATN070TN90 de VS Display Technology®, que permite la conexión de video por el puerto HDMI y la conexión de la pantalla táctil por medio de un puerto USB. La pantalla táctil utilizada en el módulo de procesamiento del sistema de control de acceso es similar a la utilizada en el módulo de procesamiento central.
• Lector de Huella Digital
Para el reconocimiento de la huella dactilar se usa un módulo de referencia GTS11C3 de ADH-TECH®, que permite digitalizar la huella dactilar del usuario que desee acceder al laboratorio de prototipado electrónico, almacenarla y compararla en un solo dispositivo. El lector de huella, mostrado en la Figura 31, se conecta desde 3.3 V a 5 V y se comunica por puerto serial (USART).
Figura 30. Diagrama de Bloques Sistema de Control de Acceso. Fuente: UIADTI.
Figura 31. Sensor Biométrico para Identificación de Huella Dactilar GTS11C3.Fuente: https://www.sparkfun.com/products/13007
Raspberry Pi 2 B+
Pantalla LCD
Pantalla Táctil
Tarjeta deEntradasy salidas
Conversorde USBa Serial
ReconociemientodactilarUSB
USBHDMI
GPIO
ATN070TN90
TarjetaInalámbricaWiFi
USB
USART
Fuente deAlimentación
31
• Conexión Wifi
Para acceder de manera inalámbrica al sistema de control de acceso se conecta a la Raspberry Pi 2 B+ el adaptador de Wifi USB mostrado en la Figura 32.
• Tarjeta de Entradas y Salidas Digitales
Esta tarjeta interconecta la Raspberry Pi 2 B+ con la puerta automatizada por medio de dos sensores utilizados para detectar cuando un usuario ingresa o sale del laboratorio de prototipado electrónico. Según se muestra en la Figura 33, mediante dos contactos normalmente abiertos dispuestos en los sensores, se le indica a la puerta qué debe abrir. En este circuito se usa el puerto GPIO de la Raspberry.
Figura 32. Adaptador Wifi - USB. Fuente: http://www.appinformatica.com/
12
CN1
12
CN5
12
CN2
12
CN3
12
CN4
12
JK
JACK_DC
1 23 45 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 2425 2627 2829 3031 3233 3435 3637 3839 40
P1
Raspberry
Re2Relay-SPDT
Re1Relay-SPDT
10KR2
330
R6
1K
R4
330
R5
1K
R3
10KR1
+5V
GNDGND
+3V3
GND
GPIO22
GPIO22GPIO22
GPIO22
+3V3
GND
GPIO27
GPIO27GPIO27
GPIO27
Q12N3904
Q22N3904
12V
12V
GND
GND
GPIO4
GPIO17
GPIO4
GPIO17
GPIO3GPIO4
GPIO3GPIO4
12V
GND
12V
GND
1234
P2
FT232RL
TxRx
+5V
GND
GPIO2
GPIO17GPIO17
GPIO2
TxRx
D1
D2
GND
GND
GPIO2
GPIO3
GPIO2
GPIO3
Sensor de Movimiento 2
INPUT 5V
Conector Lector de Huella
Salida Activacion Puerta 2
Sensor de Movimiento 2
Salida Activacion Puerta1
Conector GPIO Raspberry PI B+
12
CN6
12
CN7
TxRx Tx
Rx
+5V
GND
1234
P3
+3V3
INPUT 12V
Conversor Serial USB
Figura 33. Desarrollo del Circuito del Módulo de Expansión de Entradas y Salidas Digitalesdel Sistema de Control de Acceso. Fuente: UIADTI – CEAI.
32
3.3 Desarrollo de los Módulos Electrónicos Embebidos de Actuación
3.3.1 Módulo de Control de Iluminación Dimerizable
Este circuito permite regular la intensidad lumínica de un bombillo incandescente o led dimeriza-ble y entrega una señal de cruce por cero que le permite al microcontolador, ubicado en la pla-ca base, sincronizar la señal de Pulse Wide Modulation, PWM, que se le retorna al circuito para control de la iluminación. Los pines del micro, usados para la manipulación de este circuito, son: Cruce por cero = PB0 y PWM = PB1. Ver Figura 34.
3.3.2 Módulo de Control de Cargas On - Off
El desarrollo electrónico de la etapa de salida que conecta a los actuadores On – Off del sistema domó-tico, como alarmas, aire acondicionado, ventanas, luminarias, están contenidos en la placa base del módulo de periféricos, mostrado anteriormente en la Figura 25.
GND
VCC
1 2 3 4 5 6
P1 Header 6
CRUC
E
PWM
VCC
GND
VCC
GND
TPJ1
GND
VCC
3
21
84
U2ALM358N
VCC
GND
GND
VCC
31
2VR12K
FASE
NEUTRO
CRUCE
GND
NEUTRO
FASE
U1
Optoisolator1
Alimentación 110AC
12
CN1
1K
R2
5KR1
5K1R3
10K
R5
TPJ2
TPJ3
AC3
V+1
AC4
V-2
D1Bridge2 Q2
2N3904
GND
VCC
Q1Triac
165 ohm 1w
R4FASE
NEUTRO
PWM
FASE
NEUT
RO
12NC 4
NC6
U3
MOC3021
12
CN2
Carga
330R7
2K
R8
TPJ4
BASE TRIAC100pF/440V
C1
1K -1W
R6
1K
R13 BTA-12
Figura 34. Desarrollo del Circuito de Control de Luminaria Dimerizable. Fuente: UIADTI - CEAI.
CAPÍTULO 2
Fabricación y Ensamble de Módulos Electrónicos
34
PresentaciónEn el capítulo de fabricación y ensamble de módulos electrónicos, inicialmente se hace referencia a la metodología propuesta por la UIADTI para tal fin. Seguidamente, se describen las actividades realizadas en las etapas de: Fabricación del Circuito Impreso, Ensamble de Componentes de Montaje Superficial, Ensamble de Componentes de Montaje Through Hole y Test de Ensamble.
En el proceso, el desarrollo tecnológico de los módulos de sensado, procesamiento y actua-ción se realizó aplicando estandares internacionales. En el caso del diseño de los módulos, se aplicó el IPC-2222 Estándar seccional de diseño de circuitos impresos rígidos, y en el caso de la evaluación del ensamble, el estándar IPC-A-610F Aceptabilidad de Ensambles Electrónicos.
Posteriormente, con buen detalle, se describen los procedimientos utilizados para la fabrica-ción realizada, previo diseño en Altium®, asi como el ensamble manual y semiautomático de las PCB, que sirven de referencia al lector interesado en realizar la fabricación de modulos electrónicos embebidos, según los recursos que tenga disponibles.
El laboratorio donde se realizan los procedimientos descritos, cuenta con equipos de proto-tipado electrónico de la marca LPKF®, estaciones de soldadura PACE®, así como insumos nacionales e importados, los que serán referenciados a lo largo del manual.
35
El desarrollo tecnológico se complementa con la fabricación y ensamble de las PCB de sensado, pro-cesamiento y actuación que conforman la plataforma de hardware del sistema domótico y se realiza siguiendo la metodología establecida por el Área de Innovación y Competitividad – CEAI, que se haya estructurada por medio de las etapas y actividades mostradas en la Figura 1. Dichas actividades se describen posteriormente por medio de las componentes de entrada (insumos) – salida (productos), así como del proceso realizado para la fabricación y ensamble de los circuitos electrónicos.
Figura 1. Metodología de Fabricación, Ensamble y Prueba de las PCB del Sistema Domótico.Fuente: Área de Innovación y Competitividad – CEAI.
Metodología de Fabricacióny Ensamble de las PCB
Fabricacíon del Circuito Impreso
Actividad 1: Ruteado, perforado y corte delcircuito impreso (PCB).Actividad 2: Fabricación de película derevelado de antisolder.
Actividad 5: Fabricación de película de máscara de componentes.
Actividad 3: Aplicación de la capa antisolder.
Actividad 6: Aplicación de máscara decomponentes.
Actividad 4: Estañado de cobre.
1ETAPA Ensamble de Componentes de
Montaje Superficial
Actividad 1: Fabricación de esténcil.Actividad 2: Aplicación de pasta de soldadura.Actividad 3: Ubicación de componentesde montaje superficial.Actividad 4: Soldadura por reflujo.
2ETAPA
Ensamble de Componentes de Montaje Trough Hole.
Actividad 1: Ubicación de componentesTrogh hole.
Actividad 2: Soldadura de componentesTrogh hole.
3ETAPA
Test de Ensamble
Actividad 1: Inspección visual.Actividad 2: Test de continuidad.Actividad 3: Test de nivel de tensión.Actividad 4: Test de funcionamiento.
4ETAPA
36
Etapa 1:Fabricación del Circuito Impreso
De acuerdo con la metodología acordada por la UIADTI – CEAI, la etapa de fabricación del circuito impreso se describe por medio de las seis (6) actividades mostradas en la Figura 2.
Actividad 1. Ruteado, Perforado y Corte del Circuito ImpresoEsta etapa inicia con el ruteado, perforado y corte del circuito impreso. El desarrollo de la actividad se realiza de la siguiente manera: i) teniendo como elementos de entrada, los archivos Gerber (*.GBL, *.GTL, *.GKO y *.Txt) y la lámina FR4, ii) el proceso de ruteado, perforado y corte del circuito impreso se realiza en la máquina de prototipado electrónico, ProtoMat S103, según la programación realizada con el software CircuitPRO® 1.5 de LPKF®, y iii) obteniendo como elemento de salida, el circuito impreso o PCB.
Los archivos Gerber mencionados se generan mediante el software de diseño Altium®. En el desarrollo de la actividad se siguen los siguientes pasos:
• Paso 1. Configuración de la máquina ProtoMat S103 para el ruteado, perforado y corte de la PCB.
Ingresar al menú de archivos Gerber del software utilizado en el Diseño del Circuito Impreso (PCB), para generar los archivos de ruteado y corte de la PCB. En este caso se describen los pasos nece-sarios en Altium® versión 14.2.3.
Figura 2. Metodología de Fabricación de una PCB. Fuente: UIADTI – CEAI.
Actividad 1: Ruteado, perforado y corte del circuito impreso (PCB).
Actividad 2: Fabricación de película de revelado de antisolder.
Actividad 3: Aplicación de la capa antisolder.
Actividad 4: Estañado de cobre.
Actividad 5: Fabricación de película de máscara de componentes.
Actividad 6: Aplicación de máscara de componentes.
Observación: Antes de realizar las actividades, tenga en cuenta hacer uso de las herramientas e implementos de protección personal.
37
Seleccionar los archivos Gerber (*.GBL, *.GTL, *.GKO) requeridos: Bottom Layer: Cobre capa inferior; Top Layer: Cobre capa superior, Keep – out Layer: Capa de corte del perímetro de la PCB.
Figura 3. Acceso al Menú de Generación de Archivos Gerber. Fuente: UIADTI – CEAI.
Figura 4.Configuración del Archivo Gerber en Unidades de Pulgadas y Formato 2:4. Fuente: UIADTI – CEAI.
Configurar el ruteado y corte en unidades de pulgadas y en formato 2:4.
38
Configurar el perforado en unidades de pulgadas y en formato 2:4. Seleccionar unidad en pulgadas (Inches) y formato 2:4. Luego presionar OK. Posteriormente se activará la ventana donde se debe aceptar nuevamente con OK, sin realizar ninguna modificación.
Figura 5. Selección de los Archivos Gerber Requeridos para Crear los Layers. Fuente: UIADTI – CEAI.
Ingresar al menú de archivos Gerber para generar los de perforado de la PCB.
Figura 6. Acceso al Menú de Generación de Archivos Gerber de Perforaciones. Fuente: UIADTI – CEAI.
39
Recopilar los archivos para entregarlos al software de fabricación, CircuitPro®.
Estos archivos se reconocen por las extensiones (*.GBL, *.GTL, *.GKO y *.Txt), que el software Altium® almacena de manera automática en la carpeta del proyecto llamada “Project Outputs for Nombre_Proyecto”. Donde el Nombre_ Proyecto es el que se le asignó al mismo. En la Figura 8 se muestra la forma como quedan organizados los archivos en Altium®.
Figura 7. Configuración del Archivo Gerber en Unidades de Pulgadas y Formato 2:4. Fuente: UIADTI – CEAI.
Figura 8. Archivos Gerber Generados. Fuente: UIADTI – CEAI.
• Paso 2. Microfresar la PCB.
En este paso usamos como referencia el manual de usuario de la máquina ProtoMat S103, que es configurada por el software CircuitPro®, de la empresa LPKF,® al que le ingresamos los archivos ge-nerados en los pasos anteriores. Una vez ejecutada la rutina de fabricación, la máquina nos entrega el circuito perforado, ruteado y cortado. El proceso de fabricación se muestra en la Figura 9.
40
Actividad 2. Capa de AntisolderEn esta etapa se aplica una capa de protección a la PCB que evita que se oxide y que se produzcan cortocircuitos en la etapa de soldadura. Como elementos de entrada se tienen los archivos Gerber (*.GTS, *.GBS), el acetato o papel pergamino 90 - 180 g, película sensible a la luz UV. La actividad se realiza en una impresora láser y en la LPKF® UV Lamp Table. El resultado de esta actividad es una PCB con capa atisolder.
• Paso 1. Fabricación de película para el revelado de la capa de antisolder.
Generar los archivos Gerber *.GTS y *.GBS con la herramienta de diseño Altium®. Para ello, debemos repetir los pasos realizados en la actividad 1. Posteriormente seleccionamos las opciones mostradas a continuación:
Seleccionar los archivos Gerber (*.GTS y *.GBS) requeridos: Top solder: Máscara de soldadura superior y Bottom solder: Máscara de soldadura Inferior. Ver Figura 10.
Figura 9. Proceso de Microfresado de PCB. Fuente: UIADTI – CEAI.
Figura 10. Selección de los Archivos Gerber Requeridos para Crear los Layers de la Capa Antisolder Fuente: UIADTI – CEAI.
Observación: Tenga en cuenta hacer uso adecuado de los elementos de protección personal y de la correcta disposición de los residuos.
Diseño de PCB usando ALTIUM®
MecanizadoPCB, Ruteada perforada cortada
Configuración de microfresado CircuitPro®
ProtoMat S103
Archivos Gerber*.GBL*.GKO*.GTL*.TXT
41
• Paso 2. Obtener los acetatos o pergaminos con la impresión de las imágenes que se revelarán en la película de antisolder.
Los impresos de revelado de la película antisolder se obtienen al imprimir las imágenes de los archivos *.GBS y *.GTS en el acetato dispuesto para tal fin. Ver Figura 11.
Figura 11. Impresión de Película para el Revelado del Antisolder. Fuente: UIADTI – CEAI.
• Paso 3. Aplicación película sensible UV (ultra violeta).
Observación: En caso de que no se requiera aplicar antisoldera la PCB, se puede pasar directamente a la Actividad 3.
Preparar la PCB que fue ruteada, perforada y cortada, el acetato con las capas top solder y bottom sol-der, y la película sensible UV. En la Figura 12 se muestran los materiales usados para la capa antisolder.
Retirar el adhesivo de la película antisolder UV y pegarlo sobre la PCB ruteada y perforada. La forma de pegar el antisolder sobre la PCB se muestra en la Figura 13.
Figura 12. Materiales Usados para la Capa Antisolder. Fuente: UIADTI – CEAI.
*.GBS*.GTS
Película antisolser fotosensiblePCB con cobre descubierto Acetato con mascara antisolder
42
Aplicar calor a la película usando una pistola de aire caliente para mejorar su adherencia a la PCB. La forma de aplicar el calor sobre el conjunto formado por la PCB y la película antisolder se muestra en la Figura 14.
Figura 13. Pegado de Película Antisolsder Sobre PCB Fuente: UIADTI – CEAI.
• Paso 4. Revelado máscara de antisolder en película antisolder.
Colocar el acetato sobre el conjunto PCB y película antisolder. Haciendo coincidir cada uno de los pads de soldadura, según el diseño preestablecido. El orden en que se ubican los elementos de revelado de antisolder se muestran en la Figura 15.
Figura 14. Aplicación de Calor Sobre el Conjunto PCB y Película Antisolder. Fuente: UIADTI – CEAI.
43
Exponer el conjunto anterior a la luz ultravioleta durante aproximadamente 80 s. En este paso se en-durece toda la película antisolder que queda expuesta a la luz, lo que hace que se pueda retirar con facilidad todas las áreas donde se aplicará posteriormente soldadura. Utilizar la LPKF® UV Lamp Table o el equipo de revelado UV que se tenga a disposición. La exposición con luz UV de la capa antisolder se muestra en la Figura 16.
Figura 15. Orden en que se Ubican los Elementos de Revelado de Antisolder. Fuente: UIADTI – CEAI.
Retirar la película del antisolder mediante la inmersión en una solución de 3g de carbonato de sodio por 100 ml de agua. En la Figura 17 se muestra el revelado de la capa antisolder.
Figura 16. Exposición con Luz UV de la Capa Antisolder. Fuente: UIADTI – CEAI.
Figura 17.Revelado de la Capa Antisolder. Fuente: UIADTI – CEAI.
Remover con una brocha o pincel suave los excesos de la película. La forma de retirar los excesos de capa antisolder se muestra en la Figura 18.
Película AntisolderPCB
Acetato con impresión de capas TopSolderBottonSolder
44
Figura 18.Retirando Excesos de Capa Antisolder. Fuente: UIADTI – CEAI.
Actividad 3. Estañado de Cobre.En esta actividad se tienen, como elementos de entrada, el circuito impreso o PCB con o sin la capa de antisolder. La actividad se realiza usando un recipiente plástico, estaño líquido y bicarbonato de soda. El resultado de esta actividad es la PCB con capa de estaño.
• Paso 1. Agregar estaño líquido en un recipiente plástico.
La cantidad depende del tamaño del circuito impreso. Se debe utilizar lo necesario para cubrirlo to-talmente. Agitar el recipiente durante unos 20 segundos. Ver Figura 20.
Lavar la tarjeta con agua. Ver Figura 19.
Figura 19. Ejemplo PCB con Capa Antisolder. UIADTI – CEAI.
Figura 21. Limpieza de la PCB con Bicarbonato. Fuente UIADTI – CEAI.
Figura 20. Aplicación Estaño Líquido. Fuente: UIADTI – CEAI.
• Paso 2. Añadir bicarbonato de soda en polvo a la PCB para darle mejor acabado al estañado.
La aplicación se realiza directamente sobre la tarjeta; debe ser frotado con un cepillo de cerdas plás-ticas. Ver figura 21.
45
Figura 22. Acabado de la PCB Después del Estañado Líquido. Fuente: UIADTI – CEAI.
Figura 23. Selección de Archivos Gerber de Máscara de Componentes. Fuente: UIADTI – CEAI.
• Paso 3: Lavar la tarjeta con agua y secarla.
Después de realizar el lavado y secado de la PCB se puede observar el acabado mostrado en la Figura 22.
Actividad 5. Mascara de Componentes.En esta etapa se aplica una capa de pintura a la PCB con las huellas de los componentes, que servirá como guía en el proceso de ensamble y test del circuito. Como elementos de entrada se tienen los archivos Gerber (*.GBO y *.GTO), acetato o papel pergamino de 90 – 180 gr y marcos de seda. La actividad se realiza usando la impresora láser, la LPKF UV Lamp Table y el horno. El resultado de esta actividad es la PCB con capa antisolder.
• Paso 1: Generar Película de máscara de componentes.
Obtener los archivos *.GBO y *.GTO, siguiendo los pasos indicados anteriormente en la Actividad 1. Posteriormente seleccionamos las opciones: Top Overlay: Máscara de componentes superior y Bottom Overlay: Máscara de componentes inferior. Ver Figura 23.
Elaborar los acetatos o pergaminos con la impresión de las imágenes que se revelarán en la película de componentes.
Los impresos de la máscara de componentes se obtienen al imprimir las imágenes de los archivos *.GBO y *.GTO en el acetato dispuesto para tal fin. Ver Figura 24.
46
*.GTO*.GBO
Máscara decomponentes
Figura 24. Imprimir Máscara de Componentes en Acetato. Fuente: UIADTI – CEAI.
Figura 25. Mezcla de Emulsión Fotosensible. Fuente: UIADTI – CEAI.
• Paso 2: Preparación de tinta fotosensible.
En la Figura 25 se muestran los insumos requeridos a continuación:
- 9 partes de emulsión
- 1 parte de bicromato de amonio o de potasio
Mezclar durante 1 minuto y dejar reposar durante 10 minutos.
• Paso 3. Aplicar tinta fotosensible a la seda, para ello se realizan las siguientes actividades:
Vierta la mezcla en una canaleta de aluminio homogéneamente. Ver Figura 26.
Nota: Este procedimiento se debe realizar en un cuarto oscuro(dotado con luz de color roja o amarilla).
47
Figura 27. Esparcir la Tinta Fotosensible Sobre la Seda. Fuente: UIADTI – CEAI.
Figura 28. Secado de Seda y Recolección de la Tinta Fotosensible Sobrante. Fuente: UIADTI – CEAI.
Figura 26. Aplicar Tinta Fotosensible en Canaleta de Aluminio. Fuente: UIADTI – CEAI.
Aplicar el contenido de la canaleta en la seda, procurando un esparcimiento homogéneo por ambos lados de la seda (aproximadamente 2 aplicaciones por cada lado). Ver Figura 27.
Secar la seda con un secador o fuente de aire caliente y recolectar la tinta sobrante.
El secado de seda y la recolección de la tinta fotosensible sobrante se realiza como se muestra en la Figura 28.
48
Figura 29. Exposición de la Capa de Máscara de Componentes a Luz UV. Fuente: UIADTI – CEAI.
• Paso 4. Revelado de la máscara de componentes sobre la seda.
Exponer la seda con el acetato a la luz ultravioleta durante 5 minutos como se muestra en la Figura 29.
Lavar la seda con agua a presión para desprender los residuos de la capa fotosensible.
El revelado de seda con capa de máscara de componentes se muestra en la Figura 30.
Secar la seda con un papel absorbente. Según se muestra en la Figura 31.
Figura 30. Revelado de Seda con Capa de Máscara de Componentes. Fuente: UIADTI – CEAI.
Figura 31. Secado de Seda. Fuente: UIADTI – CEAI.
49
• Paso 5. Aplicar tinta de la máscara de componentes; con el siguiente procedimiento:
Colocar el marco con la seda sobre el circuito impreso, haciéndolos coincidir con los bordes y per-foraciones de este. Ver Figura 32.
Figura 32. Conjunto Seda PCB. Fuente UIADTI – CEAI.
Figura 33. Estampado de Máscara de Componentes Sobre PCB. Fuente UIADTI – CEAI.
Figura 34. Secado de Tinta de Máscara de Componentes. Fuente: UIADTI – CEAI.
Aplicar tinta de la máscara de componentes con una espátula. Ver figura 33.
Secar la tinta usando luz ultravioleta durante 5 m. Ver Figura 34.
SedaPCB
50
De acuerdo con la metodología acordada por la UIADTI – CEAI, la etapa de ensamble de los componentes de montaje superficial se representa por medio de las cuatro (4) actividades mostradas en la Figura 35.
Etapa 2: Ensamble de Componentes de Montaje Superficial
Figura 35. Metodología de Ensamble de Componente SMD en una PCB. Fuente: UIADTI – CEAI.
Actividad 1. Fabricación de EsténcilEsta etapa inicia con la fabricación del esténcil. El desarrollo de la actividad se realiza de la siguiente manera: i) teniendo como elementos de entrada los archivos Gerber para pasta de soldadura (*.GTP, *.GBP) y la lámina de esténcil poliamida, ii) el proceso de fabricación del esténcil se realiza en la máquina de prototipado electrónico, ProtoMat S103, según programación realizada con el software CircuitPRO® 1.5 de LPKF®, y iii) obteniendo como elemento de salida el esténcil perforado.
• Paso 1: Obtener los archivos *.GTP y *.GBP, siguiendo los pasos indicados en la Actividad 1 de la Etapa 1.
Posteriormente seleccionamos las opciones: Top paste (máscara pasta de soldadura superior), Bottom Overlay (máscara pasta de soldadura Inferior). Ver Figura 36.
Actividad 1: Fabricación de stencil.
Actividad 2: Aplicación de pasta de soldar.
Actividad 3: Aplicación de componentes de montaje superficial.
Actividad 4: Soldadura por reflujo.
Figura 36. Selección de Archivos Gerber de Máscara de Soldadura. Fuente: UIADTI – CEAI.v
51
• Paso 2: Elaborar esténcil en la microfresadora ProtoMat S103.
En este paso usamos como referencia el manual de usuario de la máquina ProtoMat S103, que es con-figurada por el software CircuitPro® de la empresa LPKF®, al que le ingresamos los archivos generados en el paso anterior y nos entrega una película perforada según el diseño prestablecido. Ver Figura 37.
Figura 37. Fabricación de Plantilla para Aplicación de Soldadura. Fuente: UIADTI – CEAI.
Actividad 2. Aplicación de Pasta de SoldarEsta etapa continúa con la aplicación de la pasta de soldadura. Como elementos de entrada se tienen: el esténcil de la PCB perforado y la pasta de soldadura. La actividad se realiza en la máquina ProtoPrint de LPKF®. El resultado de esta actividad es la PCB con soldadura en pasta, en cada una de los pads SMD o puntos de soldadura de los componentes de montaje superficial.
• Paso 1: Ubicar esténcil en la máquina ProtoPrint
El esténcil perforado se obtiene de un material llamado poliamida, que es similar a un acetato con propiedades especiales que permiten su perforación sin deterioro de su estructura física. Este servirá como plantilla para la aplicación de la soldadura en pasta, por ello es necesario tensionar muy bien esta plantilla. Para lograrlo se usa el marco de la máquina Protoprint que tiene un mecanismo que permite ajustar hasta lograr una plantilla uniforme y sin pliegues. Ver Figura 38.
Figura 38. Ubicación de Esténcil Sobre Máquina Protoprint. Fuente UIADTI – CEAI.
52
• Paso 2. Ubicar tarjeta electrónica en la base de la máquina ProtoPrint.
Se ajusta la base que soporta la PCB, jalando la palanca ubicada en el extremo inferior izquierdo de la máquina. Ver Figura 39.
Figura 39. Extracción de la Base de la Máquina Protoprint que Soporta la PCB. Fuente UIADTI – CEAI.
Se ajustan los soportes según el tamaño de la PCB usando una llave allen hexagonal de 4 mm. Ver Figura 40.
Figura 40. Ubicación de la PCB en la Base de Máquina Protoprint. Fuente UIADTI – CEAI.
53
Figura 41. Ajuste del Esténcil Sobre la PCB. Fuente UIADTI – CEAI.
Figura 42. Aplicación de la Soldadura en Pasta Sobre la PCB. Fuente UIADTI – CEAI.
• Paso 3. Aplicar pasta en la parte superior del esténcil:
Esparcir soldadura en pasta en toda el área ocupada por la PCB, usando una espátula de goma. Ver proceso en Figura 42.
Se introduce la PCB bajo la poliamida templada y se hacen coincidir las perforaciones de la plantilla con los pads de soldadura superficial a los que se les aplicara pasta. Ver Figura 41.
Actividad 3. Ubicación de Componentes de Montaje SuperficialSe realiza la ubicación de los componentes de montaje superficial. Como elementos de entrada se tienen: la PCB con soldadura en pasta aplicada en cada uno de los pads smd y los componentes SMD. La actividad se realiza en la ProtoPlace S. El resultado de esta actividad es la PCB con componentes adheridos en frío por medio de la soldadura en pasta.
• Paso 1: Ajustar la base de la máquina ProtoPlace S según el tamaño de la PCB.
La ubicación y ajuste de la PCB en la base de la máquina ProtoPlace S se realiza como se muestra en la Figura 43.
54
Figura 43. Ubicación de la PCB Sobre la Base de la Máquina ProtoPlace S. Fuente UIADTI – CEAI.
Figura 44. Ubicación de los Componentes SMD en la PCB. Fuente UIADTI – CEAI.
• Paso 2: realice la ubicación de cada componente SMD según el diseño respectivo.
La ubicación de los componentes SMD en la PCB se realiza como se muestra en la Figura 44.
Actividad 4. Soldadura por ReflujoSe realiza la soldadura por reflujo. Como elementos de entrada se tienen: la PCB con componentes ad-heridos en frío por medio de la soldadura en pasta. La actividad se realiza en el horno LPKF® ProtoFlow, ajustado con una curva de temperatura según el proceso. El resultado de esta actividad es la PCB con componentes soldados.
• Paso1: Encender el horno de reflujo y configurar los parámetros de temperatura usando como referencia el manual del equipo ProtoFlow.
El encendido y ajuste de temperatura del horno de reflujo, LPKF® ProtoFlow, se realiza siguiendo las recomendaciones establecidas en el manual de usuario.
Figura 45. Encendido y Ajuste de Temperatura del Horno de Reflujo LPKF® ProtoFlow. Fuente UIADTI – CEAI.
55
Se clasifican como componentes electrónicos through hole aquellos que sus pines de conexión en el circuito impreso lo atraviesan de una cara a la otra. La mayoría de los montajes de PCB combinan componentes SMD (dispositivos de montaje superficial) y los THT (componentes through hole). En estos casos se debe soldar primero los componentes SMD, como se indicó en la actividad anterior, y posteriormente los componentes THT. Para realizar una buena soldadura THT se recomiendan seguir las siguientes indicaciones:
Etapa 3: Ensamble de Componentesde Montaje Through Hole
Figura 47. Ejemplo de una Guía de Ensamble de Componentes en PCB. Fuente UIADTI - CEAI.
Figura 48. Secuencia de Ensamble Según la Altura del Componente. Fuente UIADTI - CEAI.
• Se debe tener a la mano la guía de ensamble donde se identifican claramente cada uno de los com-ponentes que se deben ensamblar y la posición exacta de estos dentro de la PCB. Ver Figura 47.
• Para facilitar el ensamble, se sugiere soldar primero los componentes de menor altura y posterior-mente los más altos. Ver Figura 48.
Descripción
Resistencia Through-Hole AXIAL R13 - R61 K -1W - 5%
165K -1W - 5%
1K -1/4W - 5%
2K -1/4W - 5%
5K -1/4W - 5%
330K -1/4W - 5%
5K1 -1/4W - 5%
10K -1W - 5%
0,1uF 250VDC
EDZ350/2
2K OHM 0.5W TH
2N3904
BTA12
MOC321
LM358
4N25
M20-9992046
R4
R2
R8
R1
R7
R3
R5
C1
CN1 - CN2
VR1
Q2
Q1
U3
U2
U1
P1
Resistencia Through-Hole AXIAL
Resistencia Through-Hole AXIAL
Resistencia Through-Hole AXIAL
Resistencia Through-Hole AXIAL
Resistencia Through-Hole AXIAL
Resistencia Through-Hole AXIAL
Resistencia Through-Hole AXIAL
Capacitor de Poliester Through-Hole
Terminal Block 2POS-5mm
Timer Vertical
Transistor NPN
TRIAC
OPTOACOPLADOR
OPTOACOPLADOR
Conector 20POS SIL VERTICAL PINHEADER
AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Numeración Valor / Referencia
56
Figura 49. Secuencia de Soldadura en Componentes Through Hole (THT). Fuente UIADTI - CEAI.
• Para realizar un adecuado proceso de soldadura se sugiere seguir el procedimiento descrito en la Figura 49.
Paso
Paso 1
Paso 2
Paso 3
Paso 4
Paso 5
Paso 6
Paso 7
Ubicar el componente en la PCB.
Se retira el cautín.
Se corta el excedente del pin del componente encaso de ser necesario.
Humectar el área de soldadura con flux.
Calentar con la punta del Cautín el área entre en pady el pin del componente.
Colocar el hilo de soldadura al lado opuesto dondeesta ubicada la punta del cautín.
Una vez se derrite la soldadura necesaria, se retira el hilo de soldadura y se espera unos segundos paraque termine de esparcir en toda el área.
Descripción
Para ejecutar este procedimiento se debe tener en cuenta los siguientes parámetros y definiciones:
FLUX: es una mezcla de sustancias químicas (resinas) que tienen por objeto facilitar el proceso de soldadura blanda.
Soldadura Estaño- Plomo (60/40): esta soldadura contiene una aleación de 60% de estaño 40% de plomo se funde a una temperatura entre los 183°C y 188°C.
Soldadura libre de plomo: contiene una aleación de plata cobre y estaño, y se funde a una temperatura entre 227°C y 240°C.
57
Etapa 4:Test de Ensamble
De acuerdo con la metodología acordada por la UIADTI – CEAI, la etapa de test de ensamble se repre-senta por medio de las cuatro (4) actividades mostradas en la Figura 50.
Figura 50. Test de Prueba de una PCB Ensamblada. Fuente: UIADTI – CEAI.
Actividad 1. Inspección VisualEl desarrollo de esta actividad pretende identificar errores de fabricación de la PCB ensamblada, tales como pistas fracturadas, cortos circuitos, componentes mal ubicados, soldaduras deficientes, falta de componentes, entre otros. La actividad se realiza de la siguiente manera: i) teniendo como elementos de entrada la PCB ensamblada y la guía de test, ii) el proceso de inspección visual se realiza de forma manual, por medio del uso de un lente de aumento, una lámpara de luz blanca y un microscopio, iii) obteniendo como elemento de salida la PCB inspeccionada y el reporte de inspección visual.
Para aceptar el ensamble de una PCB de deben tener en cuenta diferentes aspectos, entre ellos los requerimientos del cliente, el contrato de ensamble y la norma técnica de referencia. En cuanto a las normas técnicas, las más utilizadas a nivel mundial son las sugeridas por IPC Association Connecting Electronics Industries. Entre dichas normas, la IPC610E define los parámetros mínimos que debe cumplir un ensamble para que sea aprobado.
La norma IPC610 establece una clasificación de los criterios con los que se evalúa el ensamble, según el uso que se le dará al sistema electrónico ensamblado:
Clase 1: productos electrónicos en general, lo más importante es la funcionalidad, no son de uso continuo, en caso de falla no afectan otros sistemas (p. ej. Un juguete).
Clase 2: productos electrónicos de servicios especializados, son de uso continuo. (p. ej. El control de un semáforo).
Clase 3: productos de alto rendimiento y confiabilidad, no se permiten fallas, son de uso continuo, soportan la vida de las personas o respaldan otros sistemas críticos. (p. ej. Un marcapasos).
Actividad 1: Inspección visual
Actividad 2: Test de continuidad
Actividad 3: Test de nivel de tensión.
Actividad 4: Test de funcionamiento.
58
A continuación se describen algunos de los aspectos a tener en cuenta para identificar errores en la PCB ensamblada. Se recuerda que es importante soportarse en una norma técnica o definir por escrito los criterios de validación del ensamble entre el cliente y el fabricante:
• Verificar la ubicación de componentes en la PCB, para ello es necesario tener a la mano una guía de ensamble en donde se indique que componente se debe ensamblar y en que posición. Ver Figura 51.
Figura 51. Errores Comunes en la Ubicación de Componentes Fuente: Norma IPC610.
Figura 52. Alineación Adecuada en la Ubicación de Componentes. Fuente: Norma IPC610.
• El componente no es el especificado (parte equi-vocada) (A).
• El componente no está ensamblado en los orificios correctos (B).
• El componente polarizado está ensamblado el revés (C).
• El componente de múltiples terminales no está orientado correctamente (D).
• Verificar la alineación del componente. Esto trata de garantizar un buen contacto de los pines del componente con los puntos de soldadura, evitar posibles corto circuitos y darle un buen aspecto visual al ensamble. Se debe buscar que el área del componente que queda sobre la cara de la PCB esté siempre en paralelo a éste y lo más cercano posible según su forma y requerimiento técnico. Ver Figuras 52 y 53.
• Las terminales descansan en los pads.
• La saliente de la terminal cumple con los Reque-rimientos.
Figura 53. Error de Alineación en la Ubicación de Componentes. Fuente: Norma IPC610.
• La inclinación del componente excede los límites máximos de altura del componente.
• La saliente de la terminal no cumple con los reque-rimientos de aceptación, debido a la inclinación del componente.
59
Figura 54. Error Aplicación de Soldadura en Componentes Through Hole.Fuente: https://learn.sparkfun.com/tutorials/how-to-solder---through-hole-soldering
Figura 55. Soldadura Fría vs Soldadura Correcta. Fuente: Norma IPC610.
• Calidad de los puntos de soldadura through hole: la soldadura debe esparcirse por todo el pad de forma suficiente y uniforme. Ver Figura 54.
• Soldadura fría: los puntos de soldadura deben ser uniformes. Cuando presentan rugosidades o porosidades se consideran soldaduras frías producidas por impurezas, bajas temperaturas o pocos tiempos de contacto térmico entre el pin del componente, la herramienta de soldar, la soldadura y el pad. Ver Figura 55.
• Calidad de los puntos de soldadura SMD: la soldadura se esparce en todo el pad de forma uniforme y evidente, el componente está centrado y totalmente horizontal a la PCB. Ver Figura 56.
Figura 56. Adecuada Soldadura vs Deficiente Soldadura en Componentes SMD. Fuente: Norma IPC610.
60
Figura 57. Test de Continuidad un Circuito Electrónico.Fuente: http://www.ladyada.net/images/metertutorial/pcbcheckopen.jpg
Figura 58. Pistas aisladas. Fuente: www.cochesrc.com
Actividad 2: Test de ContinuidadCon esta actividad se busca identificar pistas y puntos de soldadura aislados o en corto circuito que no se identificaron con la inspección visual. Como elementos de entrada se tienen la PCB ensamblada e inspeccionada visualmente y la guía de test. La actividad se realiza con el multímetro, la lámpara de luz blanca y el microscopio. El resultado de esta actividad es la PCB y el reporte del test de continuidad.
La herramienta recomendada es un multímetro que genere una señal audible cada que exista una resis-tencia baja (menor a 3 Ω) entre los terminales de este. Ver Figura 57.
• Pista aisladas: este error se identifica visualmente y se verifica con la función de continuidad del multímetro. Es producida generalmente por un error de fabricación en la PCB. Ver Figura 58.
61
Figura 59. Punto de Soldadura Fraccionado.Fuente: http://electronicosmx.comxa.com/notas/rev_visual.html
Figura 60. Soldadura Deficiente.Fuente: http://electronicosmx.comxa.com/notas/rev_visual.html
Figura 61. Cortocircuito entre Pads de Soldadura. Fuente: Norma IPC610
• Punto de soldadura fraccionado. Este error se genera por excesivo esfuerzo mecánico, temperaturas y tiempos de soldadura muy altos. Ver Figura 59.
• Soldadura deficiente. No permite un buen contacto del pin con el pad de la PCB. Ver Figura 60.
• Cortocircuitos. Éstos se presentan entre puntos de soldadura causados por usar demasiada soldadura en el punto o por residuos generados en el proceso de ensamble. Ver Figura 61.
Actividad 3. Test de Nivel de TensiónDespués de verificar visualmente la calidad del ensamble y confirmar que no existen circuitos abiertos o cortos circuitos, se sugiere una tercera prueba que consiste en energizar la tarjeta electrónica de acuer-do al manual de test entregado por el diseñador del sistema. Esto con el fin de validar las condiciones mínimas de funcionamiento, para lo que se requiere que el circuito tenga puntos de prueba claramente definidos de tal forma que la validación de los niveles de tensión se confirme rápidamente. Esta actividad requiere de un multímetro para medir niveles de tensión de entradas y de salidas críticas en el sistema.
62
Figura 62. Ejemplos de Puntos de Prueba. Fuente: http://www.robotroom.com/PCB-Layout-Tips.html
Figura 63. Ejemplo de Guía Test de Niveles de Tensión. Fuente: UIADTI
Los puntos de prueba (test point) deben tener una demarcación visible en la PCB, y en lo posible deben ser de fácil y seguro acceso de tal forma que al manipular el dispositivo de medida se minimice el riesgo de corto circuito. Ver Figura 62.
Para realizar las mediciones se sebe tener una guía de test de niveles de tesión, que consiste en una imagen de ubicación de los puntos y una tabla que indique los niveles adecuados. Ver Figura 63.
Actividad 4. Test de FuncionamientoFinalmente se realiza el test de funcionamiento. Como elementos de entrada se tienen la PCB inspec-cionada por tensión y la guía de test. La actividad se realiza con el multímetro, la fuente de tensión, el generador de señales y el osciloscopio según sea el caso. El resultado de esta actividad es la PCB y el reporte del test de funcionamiento.
Este test requiere de una guía más detallada que indique el comportamiento por defecto del sistema cuando se encuentra energizado. Es posible que se requiera ingresar señales al sistema para que genere una respuesta. Ver Figura 64.
Si el circuito a verificar tiene un dispositivo reprogramable como microcontroldaores, microprocesadores, FPGA u otro dispositivo configurable, lo ideal es que dentro de la programación previa del sistema se tenga previsto una rutina de test donde el sistema genera señales de funcionamiento en diferentes etapas.
Figura 64. Ejemplo Guía Test de Funcionamiento. Fuente: UIADTI-CEAI
GND
GND
GND
GND
Referencia
TP4
TP1
TP2
TP3
Test Point
24V DC
12V DC
5V DC
3.3V DC
Medida
5%
1%
1%
1%
Tolerancia
ok
ok
ok
ok
Test
63
Comentarios de los Autores
En el manual se describe la plataforma electrónica que soporta el sistema domótico, por medio de diagramas de bloques y esquemáticos de los módulos que la conforman. Tambien se diseñan y se describen los módulos electrónicos de sensado, procesamiento y actuación, de manera que le permitirán al lector entender de forma rápida cada una de las características y configuraciones del diseño electrónico. El manual se constituye en una herramienta importante de referencia que puede ser usada para el desarrollo tecnológico-electrónico de aprendices, estudiantes, ingenieros y diseñadores, por cuanto sus actividades están relacionadas con:
• Diseño de circuitos o prototipos electrónicos utilizando diagramas funcionales y herramientas de software.
• Simulación de circuitos electrónicos, diseñados en las herramientas de software establecidas.
• Generación de archivos de diseño para la fabricación, ensamble y protocolo de prueba.
• Comprobación de diseños de circuitos o prototipos electrónicos cumplan con las especificaciones técnicas.
• Ajuste de los diseños de los circuitos o prototipos electrónicos de acuerdo con las especificaciones dadas.
En el proceso de fabricación de las PCB, se debe tener precaución con el manejo de las sustancias quimicas preescritas en el presente manual, como: thinner, varsol, percloruro de hierro, alcohol isopropílico. carbonato de sodio, soda caústica, entre otros. De acuerdo con lo anterior, haga uso adecuado de dichas sustancias y utilice los implementos de protección personal.
64
Bibliografía
I. HUANG, H. W. (2013) The ATMEL AVR Microcontroller Mega and Xmega in assembly and C. Delmar: Delmar Cengage Learning
II. SAVANT, C. J., et al. (2000) Diseño Electrónico, 3ª ed. México: Pearson Educación.
III. TITUS, J. (2012) The Hands-on XBEE Lab Manual: Experiments that Teach you XBEE Wirelesss Communications. Elsevier Science & Technology
IV. ROMERO, C., VÁZQUEZ, F., et al. (2012) Domótica E Inmódica - Viviendas y Edificios Inteligentes, 3ª ed. Madrid: RA-MA.
V. PALLAS, R. (2007) Sensores y Acondicionadores de Señal, 4a ed. México: Alfaomega
VI. Altium Designer. (2008). An Introduction to Altium Designer Learn as you Work – the Knowledge Center Panel Join the Altium Designer Community and Learn Even More. Knowledge Creation Diffusion Utilization, 0137, 1–3.
VII. Altium Designer. (2008). Preparing the Board for Design Transfer Creating and Modifying Board Shapes Importing a Board Shape. Design, 0110, 1–10.
VIII. Canal-Marques, A. ., Ortega-Vega, M. R. ., Cabrera, J.-M. . c, & de Fraga-Malfatti, C. . (2014). Alternative methods to attach components in printed circuit boards to improve their recyclability [Métodos alternativos de fijación de componentes de circuitos impresos para mejorar su reciclabilidad]. DYNA (Colombia), 81(186), 146–152. Retrieved from. http://www.scopus.com/inward/record.url?eid=2-s2.0-84907375960&partnerID=40&md5=d6dd388b4847140dc96c17de2864b460
IX. Altium Designer. (2008). Getting Started with PCB Design Creating a New PCB Project. Current, 0117, 1–28.
X. Jones, D. (2004). PCB Design Tutorial. June 29th. Retrieved from www.alternatezone.com.
XI. IPC-A-610E-SP, Normas de Aceptabilidad de ensambles electrónicos, Retrieved from http://www.ipc.org/ContentPage.aspx?pageid=IPC-Free-Documents
2016
UIADTIUnidad de Investigación Aplicada,
Desarrollo Tecnológico e Innovación
Manual
SMS Center
USB
Serial
M. Energía
Ventilación
Gas Natural
Humo
Presencia
Temperatura
Sensor de Puertas
Iluminación
Persianas Motorizadas
Alarma Sonora
Internet
ZigBee
MódemGSM
Raspberry PI-(Computador
Central)
XBEEExplorer
SMS Center
USBSerial
M. Energía
Ventilación
Gas Natural
Humo
Presencia
Temperatura
Sensor de Puertas
Iluminación
Persianas Motorizadas
Alarma Sonora
Internet
ZigBee
MódemGSM
Raspberry PI-(Computador
Central)
XBEEExplorer
ISBN
: 978
-958
-15-
0210
-3SE
RVIC
IO N
ACIO
NAL
DE A
PREN
DIZA
JE-S
ENA
MAN
UAL
DE D
ESAR
ROLL
O DE
MÓD
ULO
ELEC
TRÓN
ICOS
EM
BEBI
DOS
DE U
N SI
STEM
A DO
MÓT
ICO
DESARROLLO DE MÓDULOSELECTRÓNICOS EMBEBIDOSDE UN SISTEMA DOMÓTICO
ISBN: 978-958-15-0210-3