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Controlador doméstico

 

Controlador domésticoLa aplicación de controlador doméstico que se describe en este proyecto es un emisor-receptor de señales X-10, que permite controlar hasta dieciséis dispositivos on/off, usando un cristal líquido de 2x20 y seis pulsadores, la aplicación también permite el control de los dispositivos a través del puerto serie de un ordenador y el envío de comandos on/off y recepción de alarmas a través de mensajes SMS. El esquema básico de la aplicación se muestra en la figura de abajo.

 

Esquema básico del Controlador doméstico

 

Los microcontroladores PIC pueden usarse fácilmente en unión con la tecnología X-10 para crear aplicaciones domóticas. El  PIC utilizado se debe seleccionar en función de la RAM, ROM, frecuencia de trabajo y periféricos necesarios a la aplicación, todo ello dentro del menor coste posible. Se escogió  el PIC 16F877 debido a su flexibilidad como microcontrolador de propósito general, memoria FLASH para el programa (comodidad del desarrollo), memoria EEPROM de datos, implementación de una USART para la comunicación de datos serie y amplio número de entradas y salidas.  

Descripción del Hardware:

La funcionalidad del hardware de X-10 puede ser dividida en cuatro bloques funcionales:

  • Detector de paso por cero
  • Detección de la portadora de 120 Khz
  • Generador de señal a 120 Khz
  • Alimentación eléctrica y acoplo de la señal a la red

 

Una descripción en bloques del controlador doméstico se muestra en la siguiente figura:

 

Diagrama de bloques del controlador doméstico

 

Hay varias funciones de la aplicación que no están directamente asociadas con la interfaz X-10. Las funciones de interfaz con el usuario se realizan con un display LCD y cinco pulsadores. Un reloj en tiempo real es creado utilizando el Timer 1 y  un oscilador de cristal  de cuarzo de 32 Khz. Los datos de control modificados por el usuario como la programación de la hora de encendido y apagado de los dispositivos son almacenados en la memoria EEPROM que incorpora el PIC. Un sensor luminoso y un interruptor de carga están también incluidos en la aplicación.

Detector de paso por cero:

En X-10 la información es enviada cuando la tensión alterna de red pasa por cero. Un detector de paso por cero de la tensión de red se puede crear usando una interrupción externa en el pin RB0 del PIC. Solamente será necesaria una resistencia externa para limitar la corriente por el PIC según se muestra en la figura.

Detección de paso por cero

 

En Europa, Vrms = 230 V y la tensión de pico es de 325 V. Seleccionando una resistencia de 10 MΩ,     Ipico = 325/10 MΩ = 32.5 μA,  que está dentro de la capacidad de corriente del pin I/O del PIC. Los diodos de protección de entrada (diseñados en los pines de I/O del PIC) recortan cualquier voltaje más alto que VDD ó más bajo que VSS. Por lo tanto, cuándo el voltaje de corriente alterna está en la mitad negativa de su ciclo, el pin RB0 será recortado a  Vss -0.6 V. Esto se interpretará como un cero lógico. Cuando el voltaje de C.A sobrepasa el umbral de la entrada, el valor lógico llegará a 1.
En esta aplicación, RB0 es configurado para interrupción externa, y el buffer de entrada es un Trigger Schmitt. Esto hace que el umbral de entrada 0.8VDD = 4V en una periodo creciente y 0.2VDD = 1V en una periodo descendente.

Usando la siguiente ecuación, es posible calcular cuando el pin cambiará de estado al paso por cero:

 

Fórmula paso por cero

 

En un periodo ascendente, RB0 estará a nivel alto alrededor de 39 μs después del paso por cero, y después de un periodo descendente estará a nivel bajo 9.8 μs antes del paso por cero.

Detección de portadora 120 Khz

Para recibir señales en X-10 es necesario detectar la presencia de la señal de 120 Khz en la línea de fuerza de C.A. Esto se consigue con un condensador de acoplamiento, un filtro paso alto, un amplificador sintonizado y un circuito detector.
Los componentes del circuito detector de portadora se muestran en la figura de abajo:

 

Detector de portadora

 

Ya que la impedancia de un condensador es :  Xc=1/ 2*Π*f*C a 0.1μF el condensador presenta una impedancia de 13 Ω a la frecuencia de la portadora (120kHz), pero una alta impedancia (31.8 kΩ) a los 50 Hz de la frecuencia de la red. El filtro paso alto permite que la señal de 120KHz pueda ser acoplada sin peligro a los 50Hz de la tensión de red.
La frecuencia de 120kHz de la portadora es mucho más alta que los 50 Hz de la frecuencia de red, es fácil diseñar un filtro RC que deje pasar completamente la señal de 120KHz y atenúe completamente la de 50 Hz. El esquema completo se muestra en la figura 66 del Anexo 1.

Para un simple filtro paso alto los -3db de la frecuencia de corte es: f3dB = 1/(2*Π*R*C). Para C=150 pF y R=33k, f3dB = 1/(2*Π*150pF*33K) = 32 kHz, esta frecuencia asegura que la señal de 50 Hz es completamente atenuada mientras la señal de 120 kHz pasa a las etapas amplificadoras.
La señal de 120 kHz es amplificada usando una serie de amplificadores inversores configurados en alta ganancia.  
Las primeras dos etapas sintonizan y amplifican con una respuesta de pico en los 120 kHz. Las próximas dos etapas proporcionan amplificación adicional. La señal amplificada de 120 kHz es pasada por un detector, formado por un diodo, condensador, y resistencia. La salida del detector es pasada por un buffer inversor el cual la presenta en el pin RC3 del PIC 16F877.

Cada vez que la señal de red pase por cero se produce una interrupción, RC3 es simplemente chequeado durante el 1ms de transmisión para ver si la portadora está presente o no. La presencia o ausencia de portadora representa el flujo de unos o de ceros que forman los mensajes en X-10.

Generador de portadora a 120 Khz

X-10 usa modulación a 120 kHz para transmitir información sobre los 50 Hz de la tensión de red. Se podrían generar los 120 kHz de la portadora con un oscilador externo y utilizar una patilla de entrada / salida del PIC para habilitar o deshabilitar la salida del circuito oscilador. Sin embargo, se puede evitar el oscilador externo utilizando uno de los módulos CPP del PIC.
El módulo CCP1 se utiliza en modo PWM para producir una onda cuadrada de 120 kHz con una relación cíclica del 50 %.  Ya que X-10 especifica que la frecuencia de la portadora tiene que ser de 120 kHz (+/- de 2 kHz), el oscilador de cristal líquido se escoge de una frecuencia igual a 8MHz para que el CPP genere los 120 kHz establecidos.  
Los cálculos de configuración de periodo y relación cíclica de PWM son mostrados en el comentario del código de la función InitPWM.
Después de la inicialización, CCP1 está continuamente habilitado, y el registro TRISC se utiliza como control para tener o no en RCT/CPP los 120kHz. Cuando el registro TRISC está a 1 la patilla es una entrada y los 120 kHz de la señal no están en la salida.  
Cuando TRISC está a cero la patilla es una salida y los 120 kHz de la señal se acopla a la tensión de red mediante un transistor amplificador y un condensador, como se muestra en la figura de abajo.

 

Generador de portadora

 

Como la impedancia de un condensador es Xc=1/(2*Π*f*C), un condensador de 0.1 μF presenta una baja impedancia a la frecuencia de la portadora, pero una alta impedancia a los 50Hz de la tensión de red. El filtro paso alto permite que la señal de 120 kHz se acople satisfactoriamente a los 50 Hz de la tensión de red.

Para ser compatible con otra X-10 receptora, el máximo retraso desde el paso por cero al principio de la transmisión X-10 sería de alrededor 300 μs. Ya que el detector de paso por cero tiene un retraso máximo de aproximadamente 39 μs, la micro-instrucción debe tardar menos de 261 μs después de la detección del paso por cero para comenzar la transmisión de la señal de 120 kHz.

Fuente de alimentación

El PIC 16F877 y los demás circuitos que componen este proyecto requieren cinco voltios de alimentación para su funcionamiento, además el controlador X-10 debe también ser capaz de transmitir y recibir datos sobre la línea de corriente alterna, por ello se ha utilizado una fuente de alimentación sin transformador como la que se muestra en la figura de abajo:

 

Fuente de alimentación

 

Las dos características principales de esta fuente de alimentación es que el neutro de la tensión de red está conectado a la masa del circuito, por tanto no existe aislamiento de la tensión de red y que se tiene una capacidad de corriente limitada pero suficiente para las características de consumo del circuito.
Para proteger el circuito de picos de voltaje de la red, Se conecta entre fase y neutro una VDR (resistencia dependiente del voltaje) de 240V. Una PTC (resistencia de coeficiente de temperatura positivo) actúa como protección limitando la corriente entre el neutro y masa.  
La resistencia de 100 Ω limita la corriente en el circuito, y la resistencia de 1.2M proporciona un camino de descarga para el voltaje acumulado en el condensador cuando el circuito está desconectado de la tensión de red. Dos diodos rectifican el voltaje y a través de un condensador de 1000 μF y un diodo Zener de 5.1 V  producen los 5 V a la salida.

Interruptor de carga

Un interruptor de carga es incluido en el controlador doméstico para que pueda actuar sobre una lámpara regulable, con su propia dirección de casa y unidad.  
Fue seleccionado un TRIAC como interruptor de carga, porque es un interruptor de elevada capacidad y rápido basculamiento lo que lo hace ideal para el control y regulación de lámparas.

Un Triac es un económico componente formado por tres terminales que actúa a una alta velocidad como interruptor bidireccional de C.A. Dos terminales MT1 y MT2, son conectados en serie con la carga. Una pequeña corriente de puerta entre la puerta y MT1 permite que ocurra la conducción entre MT1 y MT2.  
El elemento puede pasar de un estado de bloqueo a un régimen de conducción, en los dos sentidos de polarización (cuadrantes 1º y 3º) y volver al estado de bloqueo por inversión de la tensión o por disminución de la corriente por debajo del valor de mantenimiento. Una vez cebado el Triac la corriente de puerta no tiene efecto sobre la conducción del mismo. El Triac se desconectará automáticamente cerca del paso por cero de la tensión de red.

Fue seleccionado el Triac L4008L6 por tener una corriente de puerta pequeña, que puede controlarse directamente desde la patilla ENTRADA/SALIDA del PIC.  
El Triac puede controlar la corriente alterna en ambas direcciones, aunque el PIC solo puede presentar voltajes positivos a la puerta.

El circuito empleado se muestra en la figura de abajo:

 

Esquema del TRIAC

 

Modulo LCD

Las dos líneas de 20 caracteres de visualización usan el controlador de display WM-C2002M. Ocho líneas de datos y tres de control son usadas de interfaz para la comunicación con el PIC según se muestra en la figura de abajo:

 

Módulo LCD

 

El software incluye una librería básica que provee las funciones necesarias para controlar este tipo de LCD.

Reloj en tiempo real

Un reloj en tiempo real es implementado utilizando el Timer1 del PIC. El reloj se actualiza usando una rutina llamada UpdateClok. El reloj determina también la tasa de tiempo en que los pulsadores son leídos por medio de una rutina llamada ScanKeys.  
Ambas rutinas son explicadas en el apartado dedicado al software.

Pulsadores

Cinco pulsadores son conectados a los pines RB1-RB5, son usados para la interacción del usuario con la aplicación. Cada pulsador estará normalmente abierto, cuando se pulsa pone a la patilla correspondiente a nivel bajo.

Comunicación puerto serie

Debido a los diferentes interfaces eléctricos de comunicación serie del PIC y del puerto serie del ordenador es necesario la utilización de un adaptador de niveles como es el MAX232. En la figura de abajo se muestra el esquema simplificado de la conexión.

 

Conexión serie Ordenador/PIC

 

Herramientas de depuración

Las patillas RB6 y RB7 del PIC  se reservan para el circuito depurador, en este caso se ha utilizado el depurador ICD2 de Microchip, este presenta la ventaja de poder programar el PIC en el propio circuito además de permitir puntos de ruptura en tiempo real, el esquema de conexionado se muestra en la figura de abajo. Una precaución muy importante que hay que tener en cuenta al conectar cualquier herramienta de depuración o equipo de medida es que la masa del equipo no se tiene que conectar, además debemos de comprobar antes de conectar el controlador doméstico que sea el neutro el que va a masa y no la fase, esto lo podemos comprobar con un voltímetro o con un simple busca polos de electricista.

Conexión herramientas de depuración

 

Sonda de medida

Utilizando un divisor de tensión para el canal 2 del osciloscopio y un simple paso alto para el canal 1 es posible visualizar los pulsos de 120 kHz sobre la tensión de red. El esquema de la sonda se muestra en la siguiente figura:

Conexión Sonda

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