contador personas.pdf

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO CONTADOR DE PERSONAS PARA SITIOS CERRADOS, UTILIZANDO SENSORES

PIR (PIROELECTRIC INFRARED RADIAL) Y SENSORES DE ULTRASONIDO”

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES

CATUCUAMBA NEPAS BORIS PATRICIO

[email protected]

QUINGA QUISHPE AMPARO LEONOR

[email protected]

DIRECTOR: ING. PABLO SALINAS

[email protected]

Quito, Diciembre 2010

i

DECLARACIÓN

Nosotros, Boris Patricio Catucuamba Nepas, Amparo Leonor Quinga Quishpe,

declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que

no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y,

que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este

documento.

A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad

intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional,

según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por

la normativa institucional vigente.

Boris Patricio Catucuamba Nepas Amparo Leonor Quinga Quishpe

ii

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente proyecto fue desarrollado por Boris Patricio Catucuamba

Nepas y Amparo Leonor Quinga Quishpe, bajo mi supervisión.

ING. PABLO SALINAS

DIRECTOR DEL PROYECTO

iii

AGRADECIMIENTO

Agradezco a mis padres, Holger Catucuamba y Beatriz Nepas, por todo el tiempo,

apoyo y paciencia que me han dado durante toda mi vida, también por la

orientación que nunca me ha sido esquiva y por la ayuda incondicional en todo

aspecto de mi vida. En adelante, pondré en práctica mis conocimientos y el lugar

que en mi mente ocuparon los libros, ahora será de ustedes, esto, por todo el

tiempo que les robé pensando en mí.

Agradezco a Amparito, por el amor, apoyo y comprensión que siempre me ha

dado, sobre todo para la realización de esta tesis. Le agradezco sobre manera,

por todo el cuidado y abnegación hacia mi hija. Espero que el logro alcanzado,

sea el vínculo a nuevas oportunidades para nuestra superación personal y

profesional.

Agradezco a Helen Rubí por la sonrisa incondicional que siempre tuvo para mí y

por todas sus ocurrencias que supieron aliviar cualquier problema. Rubí eres la

fuente de inspiración de mi vida y el motor de mi superación.

Agradezco a mis hermanos, Holger Fernando y María Augusta por la comprensión

brindada en los momentos difíciles y por la ayuda que, desinteresadamente

supieron darme, además, por el cariño y cuidado brindado a mi hija.

Agradezco a todos mis compañeros de “Dositas y nos vamos” por el apoyo

brindado durante este largo camino en la universidad.

Agradezco al Ing. Pablo Salinas, por toda su sabiduría reflejada en la presente

tesis, además de su comprensión y paciencia para con nosotros.

Boris

iv

AGRADECIMIENTO

Agradezco a Dios, por estar siempre conmigo y a mis padres, María Leonor y

Andrés, quienes sin escatimar esfuerzo alguno, han sacrificado parte de su vida

para formarme y educarme. A quienes nunca podré pagar todos sus desvelos, ni

aún con las riquezas más grandes del mundo. Porque gracias a su cariño,

comprensión, confianza y apoyo he logrado terminar mis estudios profesionales,

que constituyen la herencia más valiosa que pudiera recibir y por lo cual viviré

eternamente agradecida.

Agradezco a Boris, por el gran apoyo, comprensión y amor brindado durante

estos últimos años que han sido los más difíciles y, también los más felices de mi

vida, por depositar en mí su confianza y por estar siempre a mi lado, velando por

mí y por mi pequeñita.

Agradezco a mis hermanos Andrés, Oscar, Katherine y a mi querida Alexandra,

por estar siempre a mi lado apoyándome, soportándome y ayudándome en todo.

Gracias por estar siempre pendientes de mí y de mi Helen.

Agradezco a mi Director de tesis, Ing. Pablo Salinas, por la disposición que tuvo al

ayudarnos en la realización de este Proyecto.

Gracias a Dieguito, un gran amigo, que desinteresadamente nos ayudó y orientó

en la realización de este Proyecto, gracias por tu disposición con nosotros.

Agradezco al Ing. Carlos Herrera, que además de la ayuda con mi tesis, se ha

convertido en un amigo.

Gracias a Santiago Yépez, por sus consejos, su amistad, ayuda y confianza.

Y a todos mis amigos por ser un apoyo y una fortaleza en esta dura carrera.

AMPARO

v

DEDICATORIA

A mis padres, como una forma de agradecimiento por todo lo recibido, porque

este logro es vuestro.

A Helen Rubí, porque mi esfuerzo es para ti.

Boris

vi

DEDICATORIA

A mi hijita Helen, porque su presencia ha sido y será siempre el motivo más

grande que me ha impulsado a seguir luchando cada día. Que con su alegría,

inocencia y travesuras, me hace olvidar cualquier altercado y me levanta el ánimo.

Con todo el amor del mundo.

A mi Madrecita que le adoro con toda el alma, porque siempre ha sido un ejemplo

de madre, hija, esposa, hermana, amiga; siempre ha demostrado fortaleza y

valentía ante los obstáculos que le ha puesto la vida. Y sobre todo por ser una

madre para mi hija.

A mi Padre por ser pilar de toda la familia y por sobre todas las cosas estar

siempre a nuestro lado, cuidándonos.

A mis dos chiquitas Dayanita y Micky por ser la alegría del hogar.

A mi hermanita que ha sido una mamita pequeña para mi Helen y a mis queridos

hermanos Oscar y Andrés.

A mí querido amor.

AMPARO

vii

CONTENIDO

ÍNDICE DE CONTENIDOS

DECLARACIÓN ....................................................................................................... i

CERTIFICACIÓN ..................................................................................................... ii

AGRADECIMIENTO ................................................................................................ iii

DEDICATORIA ........................................................................................................ v

CONTENIDO .......................................................................................................... vii

ÍNDICE DE CONTENIDO ....................................................................................... vii

ÍNDICE DE FIGURAS ............................................................................................. xi

ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................. xvi

ÍNDICE DE ECUACIONES................................................................................... xvii

RESUMEN .......................................................................................................... xviii

PRESENTACIÓN .................................................................................................. xix

1 CAPÍTULO 1: FUNDAMENTOS TEÓRICOS ................................................. 1

1.1 INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 1

1.2 CONTADOR DE PERSONAS ...................................................................... 1

1.3 CONTADORES DE PERSONAS COMERCIALES Y ACTUALMENTE EN

USO 2

1.3.1 MÉTODO TRADICIONAL ................................................................. 2

1.3.2 CONTADOR MANUAL MECÁNICO ................................................. 3

1.3.3 ENTREGA Y RECEPCIÓN DE TICKETS ........................................ 5

1.3.4 EL TORNIQUETE ............................................................................. 5

1.3.5 CONTADOR DE PERSONAS FOTOELÉCTRICO ........................... 9

1.3.6 CONTADOR DE PERSONAS INFRARROJOS .............................. 11

1.3.7 ALFOMBRAS DE SUBIDA / BAJADA ............................................. 13

1.4 DEFINICIONES BÁSICAS ......................................................................... 13

1.4.1 SENSOR ......................................................................................... 13

1.4.2 RADIACIÓN .................................................................................... 14

1.4.3 RADIACIÓN INFRARROJA ............................................................ 14

1.4.4 PIRÓMETROS ................................................................................ 14

1.4.5 MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS ............................................... 14

viii

1.4.6 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO ............................................. 15

1.4.7 ONDA ULTRASÓNICA ................................................................... 15

1.5 SENSOR PIR (PYROELECTRIC INFRARED RADIAL SENSOR) ........................... 16

1.6 SENSOR DE ULTRASONIDO ................................................................... 18

1.7 DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS ACTIVOS Y PASIVOS QUE

CONFORMAN EL PROTOTIPO ........................................................................... 21

1.7.1 SENSOR PIR D203S ...................................................................... 21

1.7.2 SENSORES DE ULTRASONIDO ................................................... 22

1.7.3 MICROCONTROLADOR ATMEGA 324P ....................................... 22

1.7.4 DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO LCD ........................................... 23

1.7.5 AMPLIFICADOR OPERACIONAL .................................................. 24

1.7.6 FUENTE DE PODER DE 5V........................................................... 25

1.7.7 CRISTAL ......................................................................................... 25

1.7.8 TRANSISTOR ................................................................................. 25

1.7.9 LENTE DE FRESNEL INFRARROJO ............................................. 26

1.7.10 RESISTENCIA ................................................................................ 29

1.7.11 POTENCIÓMETRO ........................................................................ 29

1.7.12 CAPACITOR ................................................................................... 29

1.8 VARIABLES FÍSICAS QUE INFLUYEN EN LOS SENSORES PIR Y

ULTRASÓNIDO EN LAS MEDICIONES ............................................................... 30

1.8.1 TEMPERATURA ............................................................................. 30

1.8.2 INFLUENCIAS DE LAS CORRIENTES DE AIRE Y DE LAS

CONDICIONES ATMOSFÉRICAS ................................................................ 31

1.8.3 SUPERFICIE .................................................................................. 31

1.8.4 DISTANCIA ..................................................................................... 32

1.8.5 ÁNGULO ......................................................................................... 32

1.8.6 ENERGÍA ........................................................................................ 33

1.8.7 INTERFERENCIAS ELECTROMAGNÉTICAS ............................... 33

1.9 POSIBLES CASOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR AL MOMENTO DE LA

MEDICIÓN ........................................................................................................... 34

1.9.1 PASO DE UNA PERSONA ............................................................. 34

1.9.2 PASO DE DOS PERSONAS JUNTAS ........................................... 34

ix

1.9.3 SENSORES CON OBSTRUCCIONES ........................................... 34

1.9.4 PASO DE COSAS U OBJETOS ..................................................... 34

2 CAPÍTULO 2: DISEÑO DEL PROTOTIPO ................................................... 35

2.1 INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 35

2.2 HARDWARE .............................................................................................. 35

2.2.1 FUENTE DE ALIMENTACIÓN ........................................................ 36

2.2.2 MÓDULO PIR ................................................................................. 38

2.2.3 LENTES DE FRESNEL .................................................................. 55

2.2.4 MÓDULO ULTRASÓNICO ............................................................. 57

2.2.5 MICROCONTROLADOR ATMEGA 324P ....................................... 69

2.2.6 COMUNICACIONES ....................................................................... 75

2.2.7 DISPLAY ......................................................................................... 77

2.2.8 SWITCH PARA LA PUERTA .......................................................... 79

2.2.9 LED ................................................................................................. 80

2.2.10 ZUMBADOR ................................................................................... 80

2.3 FIRMWARE ............................................................................................... 80

2.4 SOFTWARE .............................................................................................. 88

2.4.1 VISUAL BASIC.NET ....................................................................... 88

2.4.1.1 Visualización Gráfica del Prototipo Contador de Personas ......... 89

2.4.1.2 Diagrama de Flujo ....................................................................... 90

3 CAPÍTULO 3: CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO Y RESULTADOS DE

LABORATORIO ................................................................................................... 94

3.1 INTRODUCCIÓN ....................................................................................... 94

3.2 CONSTRUCCIÓN DEL HARDWARE ........................................................ 94

3.2.1 MONTAJE DEL PROTOTIPO ....................................................... 106

3.3 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL HARDWARE DEL PROTOTIPO

EN EL LABORATORIO ...................................................................................... 108

3.4 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL SOFTWARE DEL PROTOTIPO

122

3.5 PRUEBAS DE CAMPO DEL PROTOTIPO CONTADOR DE PERSONAS

PCP 129

x

3.6 DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE ERROR EN EL CONTEO DE

PERSONAS ....................................................................................................... 130

4 CAPÍTULO 4: ANÁLISIS DE COSTOS ...................................................... 136

4.1 COSTO DEL PROTOTIPO ...................................................................... 136

4.2 POSIBLE INTRODUCCIÓN AL MERCADO DE ECUADOR .................... 137

5 CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................ 140

5.1 CONCLUSIONES .................................................................................... 140

5.2 RECOMENDACIONES ............................................................................ 141

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 142

SITIOS DE INTERÉS ......................................................................................... 145

ANEXOS .................................................... ¡ERROR! MARCADOR NO DEFINIDO.

ANEXO A: CARACTERÍSTICAS DEL SENSOR PIR D203S.

ANEXO B: CARACTERÍSTICAS DEL MICROCONTROLADOR ATmega 324P.

ANEXO C: CARACTERÍSTICAS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL LM324AD.

ANEXO D: CARACTERÍSTICAS DEL REGULADOR LM7805CT.

ANEXO E: CARACTERÍSTICAS DEL MAX RS232.

ANEXO F: CARACTERÍSTICAS DEL DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO.

ANEXO G: ESQUEMA DEL DETECTOR DE MOVIMIENTO CON SENSORES PIR.

ANEXO H: ESQUEMA DEL DETECTOR DE MOVIMIENTO CON SENSORES ULTRASONICOS.

ANEXO I: CÓDIGO FUENTE DE LA APLICACIÓN EN VISUAL BASIC.

ANEXO J: CÓDIGO FUENTE DE LA APLICACIÓN EN BASCOM AVR.

ANEXO K: MANUAL DE USUARIO PARA LA INSTALACIÓN, MANEJO Y GESTIÓN DEL PCP.

xi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1.1 Contador Manual Mecánico ................................................................... 4

Figura 1.2 Pulsadores Mecánicos ........................................................................... 4

Figura 1.3 Torniquete de tres brazos metálicos ...................................................... 6

Figura 1.4 Torniquete de un brazo .......................................................................... 6

Figura 1.5 Torniquete un solo sentido ..................................................................... 7

Figura 1.6 Torniquete doble sentido ........................................................................ 7

Figura 1.7 Torniquetes Ópticos ............................................................................... 8

Figura 1.8 Torniquetes para personas con capacidades ......................................... 8

Figura 1.9 Contador Fotoeléctrico ......................................................................... 10

Figura 1.10 Sistema Contador de Personas Infrarrojo .......................................... 11

Figura 1.11 Sensor vertical.................................................................................... 11

Figura 1.12 Ejemplo de contador óptico para un tren ............................................ 12

Figura 1.13 Área de Detección del Sensor PIR ..................................................... 16

Figura 1.14 Diferente polaridad del sensor PIR ..................................................... 17

Figura 1.15 Sensor Ultrasónico ............................................................................. 18

Figura 1.16 Funcionamiento de los Sensores Ultrasónicos .................................. 19

Figura 1.17 Zona Muerta del sensor ultrasónico ................................................... 20

Figura 1.18 Amplificador Operacional LM324AD .................................................. 25

Figura 1.19 Comportamiento de la Luz a través del Lente de Fresnel .................. 26

Figura 1.20 Espejo Catoptrio ................................................................................. 27

Figura 1.21 Espejo Dioptrio ................................................................................... 27

Figura 1.22 Espejo Catadioptrio ............................................................................ 27

Figura 1.23 Lente de Fresnel Plana ...................................................................... 28

Figura 1.24 Variación de la medición debido a la temperatura.............................. 31

Figura 1.25 Reflexión del sonido en el ángulo de incidencia ................................. 32

Figura 1.26 Incertidumbre de la posición del objeto .............................................. 33

Figura 1.27 Perturbaciones que presenta el sensor PIR ....................................... 34

Figura 2.1 Diagrama de Bloques del Hardware del Prototipo Contador de

Personas ............................................................................................................... 36

Figura 2.2 Regulador LM7805CT .......................................................................... 37

Figura 2.3 Circuito de la fuente de alimentación ................................................... 37

xii

Figura 2.4 Simulación de la fuente de alimentación .............................................. 38

Figura 2.5 Sensor de Radiación Infrarroja D203B ................................................. 39

Figura 2.6 Sensor Piroeléctrico de Radiación Infrarroja D203S ............................ 39

Figura 2.7 Sensor de Radiación Infrarroja de Haz Estrecho ................................. 40

Figura 2.8 Sensor Piroeléctrico Infrarrojo serie IRA-E420 ..................................... 41

Figura 2.9 Dimensiones del Sensor PIR D203S .................................................... 41

Figura 2.10 Respuesta Espectral del Sensor PIR D203S ..................................... 43

Figura 2.11 Circuito recomendado para el sensor PIR D203S .............................. 43

Figura 2.12 Señal de salida de sensor PIR D203S ............................................... 44

Figura 2.13 Señal de salida de sensor PIR D203S invertido ................................. 44

Figura 2.14 Señales de salida de los dos sensores en sentido contrario .............. 44

Figura 2.15 Señales en el tiempo detectadas por lo sensores dependiendo del

sentido de paso de una persona ........................................................................... 45

Figura 2.16 Diagrama de bloques de las señales de salida de los PIR ................. 45

Figura 2.17 Comparador acoplado a la señal de salida del amplificador .............. 46

Figura 2.18 Señal de salida del comparador ......................................................... 47

Figura 2.19 Amplificador no inversor ..................................................................... 48

Figura 2.20 Circuito del Filtro Pasa bajos con una ganancia de 2......................... 50

Figura 2.21 Diagrama de Bode del filtro pasa bajos con ganancia de 2 ............... 50

Figura 2.22 Circuito del Filtro Pasa altos con una ganancia de 3.......................... 52

Figura 2.23 Diagrama de Bode del filtro pasa altos con ganancia de 3 ................ 52

Figura 2.24 Circuito del Filtro Pasa banda con una ganancia de 6 ....................... 53

Figura 2.25 Diagrama de la señal original y sus respectivas amplificaciones ....... 54

Figura 2.26 Diagrama de Bode del filtro pasa banda a 1 Hz ................................. 54

Figura 2.27 Señal que ingresa al comparador fijado en un DC offset ................... 55

Figura 2.28 (a) Haz del sensor PIR sin los lentes de Fresnel ............................... 56

Figura 2.28 (b) Haz del sensor PIR acoplado a un lente de Fresnel ..................... 56

Figura 2.29 Lente de Fresnel Plana ...................................................................... 57

Figura 2.30 Sensor Ultrasónico US1240 ............................................................... 58

Figura 2.31 Sensor Ultrasónico a Prueba de Agua ............................................... 59

Figura 2.32 Dimensiones del sensor Ultrasónico .................................................. 59

Figura 2.33 Diagrama de bloques utilizando sensores de ultrasonido .................. 61

xiii

Figura 2.34 Filtro Pasa altos con ganancia 10 para el sensor ultrasónico ............ 64

Figura 2.35 Diagrama de Bode del Filtro Pasa altos para la señal del sensor

Ultrasónico ............................................................................................................ 65

Figura 2.36 Filtro pasa bajos con ganancia 7 para el sensor ultrasónico .............. 67

Figura 2.37 Diagrama de Bode del Filtro Pasa altos para la señal del sensor

Ultrasónico ............................................................................................................ 68

Figura 2.38 Filtro Activo Pasa banda a 40Khz ...................................................... 68

Figura 2.39 Dimensiones del microcontrolador ATmega 324P ............................. 69

Figura 2.40 Distribución de pines del microcontrolador ATmega 324P ................. 70

Figura 2.41 Circuito para el oscilador del microcontrolador .................................. 74

Figura 2.42 Asignación de pines del microcontrolador .......................................... 75

Figura 2.43 Distribución de Pines del MAX232 ..................................................... 76

Figura 2.44 Circuito de operación típico del MAX232A ......................................... 76

Figura 2.45 Conector DB9 ..................................................................................... 77

Figura 2.46 Display de Cristal Líquido LCD .......................................................... 78

Figura 2.47 Voltaje de ajuste de Contraste ........................................................... 79

Figura 2.48 Circuito para censar la puerta ............................................................ 79

Figura 2.49 Circuito para el LED ........................................................................... 80

Figura 2.50 Circuito del zumbador ........................................................................ 80

Figura 2.51 Entorno Gráfico de BASCOM AVR .................................................... 81

Figura 2.52 Diagrama de flujo del firmware ........................................................... 82

Figura 2.53 Diagrama de Flujo para el Ultrasónico ............................................... 84

Figura 2.54 Diagrama de Flujo del Ingreso de Personas ...................................... 86

Figura 2.55 Diagrama de Flujo de la Salida de Personas ..................................... 87

Figura 2.56 Interfáz para el programador .............................................................. 90

Figura 2.57 Diagrama de flujo general para la Interfaz Gráfica ............................ 91

Figura 2.58 Diagrama de Flujo del Total en un Lapso de Tiempo ......................... 92

Figura 2.59 Diagrama de Flujo del Reinicio del Sistema ....................................... 93

Figura 3.1 Modelo de caja de aluminio ................................................................. 94

Figura 3.2 Modelo de caja de plástico ................................................................... 95

Figura 3.3 Dimensiones de la caja contenedora del Contador de Personas ......... 96

Figura 3.4 Diagrama esquemático del prototipo .................................................... 98

xiv

Figura 3.5 (a) Pistas o Layout en la placa del Prototipo (superior) ....................... 99

Figura 3.5 (b) Pistas en la placa del Prototipo (inferior) ........................................ 99

Figura 3.6 Diagrama Esquemático para la placa del Prototipo............................ 100

Figura 3.7 Placa del Prototipo Contador de Personas ........................................ 101

Figura 3.8 Perforaciones para los sensores ........................................................ 102

Figura 3.9 Perforación para la fuente y las comunicaciones .............................. 102

Figura 3.10 Perforación para el Display ............................................................ 103

Figura 3.11 Montaje de la placa en la caja contenedora ..................................... 103

Figura 3.12 Display de Cristal Líquido como visualizador ................................... 103

Figura 3.13 Comunicación serial y fuente de alimentación ................................. 104

Figura 3.14 Cinta Doble Faz................................................................................ 104

Figura 3.15 Vista superior del prototipo Contador de Personas .......................... 105

Figura 3.16 Ubicación de los sensores en la caja ............................................... 105

Figura 3.17 Montaje del Contador ....................................................................... 106

Figura 3.18 Montaje del Contador y haz de cobertura ........................................ 107

Figura 3.19 Circuito de Prueba del Sensor PIR D203S ....................................... 108

Figura 3.20 Señal de salida del Circuito Amplificador del PIR1........................... 109

Figura 3.21 Señal de salida del Circuito Amplificador del PIR2........................... 110

Figura 3.22 Señal de salida del Circuito Amplificador PIR1 en los dos sentidos . 110

Figura 3.23 Señal de salida del Circuito Amplificador PIR2 en los dos sentidos . 111

Figura 3.24 Señal de salida del Comparador del PIR 1 ...................................... 111

Figura 3.25 Señal de salida del Comparador del PIR 2 ...................................... 112

Figura 3.26 Señal de salida del Comparador del PIR 1 en los dos sentidos ....... 112

Figura 3.27 Señal de salida del Comparador del PIR2 en los dos sentidos ........ 113

Figura 3.28 Señal de salida de los sensores PIR (PIR 1 canal 1 y PIR 2 canal 2)

en dirección “ENTRAN” después del circuito amplificador .................................. 113


en dirección “SALEN” después del circuito amplificador ..................................... 114


en dirección “ENTRAN” después del comparador ............................................... 114


en dirección “SALEN” después del comparador .................................................. 115

xv


en las dos direcciones después del comparador ................................................. 115

Figura 3.33 Señal que envía el microcontrolador al sensor ultrasónico a una

escala en el tiempo de 25 µs (canal 1) ................................................................ 117

Figura 3.34 Señal que envía el microcontrolador al Sensor Ultrasónico a una

escala en el tiempo de 10 ms. ............................................................................. 117

Figura 3.35 Señales resultantes del Sensor Ultrasónico Receptor (canal 2) y

ráfaga de pulsos emitida por el microcontrolador (canal 1) ................................. 118

Figura 3.36 Señales resultantes del Sensor Ultrasónico Receptor cuando no

existe obstáculo (canal 2) y ráfaga de pulsos emitida por el microcontrolador

(canal 1) .............................................................................................................. 118

Figura 3.37 Formulario de Presentación del Contador de Personas ................... 122

Figura 3.38 Interfaz Gráfica y Botón para abrir el puerto .................................... 123

Figura 3.39 Total Instantáneo dentro del lugar .................................................... 124

Figura 3.40 Archivo de Datos para Total ............................................................. 125

Figura 3.41 Ingreso de hora y fecha para el total ................................................ 126

Figura 3.42 Total de personas que entraron en un lapso determinado ............... 126

Figura 3.43 Reseteo de Contador de Personas .................................................. 127

Figura 3.44 Ingreso de una clave de autorización ............................................... 128

Figura 3.45 Validación de la clave de autorización ............................................. 128

xvi

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Código asociado a cada carácter imprimible por el display ................... 24

Tabla 2.1 Parámetros Técnicos del Sensor PIR D203S ........................................ 42

Tabla 2.2 Parámetros Técnicos del sensor Ultrasónico ........................................ 60

Tabla 2.3 Funciones alternativas de los pines del puerto B .................................. 71

Tabla 2.4 Funciones alternativas de los pines del puerto C .................................. 72

Tabla 2.5 Funciones alternativas de los pines del puerto D .................................. 72

Tabla 2.6 Distribución de pines del conector DB9 ................................................. 77

Tabla 2.7 Asignación de Pines del LCD ................................................................ 78

Tabla 3.1 Datos antes y durante la calibración del prototipo ............................... 129

Tabla 3.2 Datos de conteo del Contador de Personas ........................................ 129

Tabla 3.3 Errores del conteo antes y durante la calibración del prototipo ........... 133

Tabla 3.4 Errores de Conteo del Contador de Personas ..................................... 134

Tabla 4.1 Descripción de los costos del prototipo ............................................... 136

xvii

ÍNDICE DE ECUACIONES

Ecuación 1.1 Ley de Ohm ..................................................................................... 29

Ecuación 2.1 Amplificación del módulo PIR .......................................................... 48

Ecuación 2.2 Frecuencia de corte de un filtro ....................................................... 49

Ecuación 2.3 Ganancia de un amplificador no inversor ........................................ 48

Ecuación 3.1 Error de Personas .......................................................................... 131

Ecuación 3.2 Error de Ingreso ............................................................................. 131

Ecuación 3.3 Error de Salen................................................................................ 132

Ecuación 3.4 Error no Saldado ............................................................................ 132

xviii

RESUMEN

En el presente proyecto, se desarrolla un prototipo contador de personas,

utilizando sensores piroeléctricos y ultrasónicos; que permiten determinar cuando

una persona pasa por un punto fijo y a la vez, con la ayuda de un software

específico, permite determinar la dirección de paso por ese punto. Para la

visualización y manejo de los datos generados por el prototipo, se utiliza una

interfaz gráfica realizada en Visual Basic.net.

El prototipo es diseñado para ser usado en lugares cerrados, debido a todos los

factores climáticos que lo pueden afectar.

En el capítulo 1, se describe el funcionamiento de los contadores de personas

actualmente en uso; además, se detallan las principales características del

hardware que conforma el prototipo y se describen los diferentes inconvenientes o

casos que se pueden presentar, al momento de contar personas.

En el capítulo 2, se presenta el diseño del hardware, firmware y software del

prototipo.

En el capítulo 3, se detalla el proceso de construcción e implementación del

prototipo, así como las pruebas realizadas tanto en el laboratorio como en el

campo; además, se realiza el cálculo de error con el que trabaja el prototipo.

En el capítulo 4, se presenta un análisis de costos del proyecto y se da una

perspectiva de la introducción del prototipo en el mercado.

En el capítulo 5, se presentan las conclusiones y recomendaciones del presente

proyecto.

Finalmente, se incluyen los anexos, que consta de las características técnicas de

los principales elementos que conforman el prototipo, así como también los

diseños en los cuales se basó este proyecto.

xix

PRESENTACIÓN

Si se tuviera conocimiento de la cantidad de personas que a diario transitan por

centros comerciales, universidades, bibliotecas, zoológicos, museos, etc., se

tendría una buena perspectiva de las acciones a tomar en lo que se refiere a la

administración de dichos lugares, dependiendo del número de personas que los

visiten.

Por ejemplo, al saber cuántas personas visitan un centro comercial o cuál es el

local más concurrido, se puede determinar las razones que hacen a este local el

más visitado. Con estas premisas, podrá implementarse mejorías en los demás

locales.

Para saber el número de personas que cruzan por un punto fijo se requiere de un

contador de personas; por lo cual, en el presente proyecto se diseñó y se

construyó un prototipo contador de personas con elementos de uso común y fácil

acceso.

El prototipo contador de personas se basa en las características eléctricas de los

sensores PIR y ultrasónicos. Los sensores PIR detectan la presencia de seres

humanos, característica que lo hace ideal para usarlo en el prototipo. Por otro

lado, los sensores de ultrasonido se caracterizan por su aplicación como

medidores de distancia, lo cual en el presente proyecto, se aplica para determinar

posibles obstrucciones del prototipo.

Con la utilización de estos sensores se logra tener un contador con buen

rendimiento y de bajo costo, respecto a los comercializados mundialmente en la

actualidad.

1

1 CAPÍTULO 1: FUNDAMENTOS TEÓRICOS

1.1 INTRODUCCIÓN

En la actualidad, se necesita tener conocimiento del flujo de personas que

circulan por determinados sitios, datos que faciliten la toma de decisiones en lo

que respecta a la administración de los mismos.

Los contadores de personas dan la posibilidad de tener datos estadísticos y

cuantitativos que entre otras aplicaciones, ayudarán a tener mayor seguridad y

control en los establecimientos donde se han instalado, evitando así, accidentes o

imprevistos que puedan surgir por el exceso o carencia de personas.

Las nuevas tecnologías ayudan a disponer de equipos con niveles de seguridad

alta, que se acoplen a los requerimientos y características propias del lugar donde

se lo va a instalar.

Lamentablemente, la idiosincrasia ecuatoriana siempre busca un tipo de fraude, el

cual evite cumplir con reglas ya establecidas; el contador de personas trata de

minorar todo este tipo de fraudes y sus consecuencias.

1.2 CONTADOR DE PERSONAS

Este contador es un dispositivo electrónico y/o mecánico que detecta el paso de

una persona por un punto fijo. Con un software apropiado, el contador permite

cuantificar el número de personas que ingresan o salen de un lugar, controlar el

flujo de personas en tiempo real y generar reportes de ocupación en un

determinado lapso de tiempo.

Hay formas muy variadas de construirlos y diferentes tecnologías utilizadas, cada

una, con sus respectivas ventajas y desventajas, que van desde un simple

monitoreo en forma manual, hasta la utilización de sensores de última generación.

2

1.3 CONTADORES DE PERSONAS COMERCIALES Y

ACTUALMENTE EN USO

En la actualidad se usan diversas tecnologías para contar personas que pasan

por un punto fijo, cada uno de estos, con características particulares, que los

diferencian al momento de ser adquiridos en el mercado.

Existen en el mercado diferentes tipos de contadores:

a. Contadores Visuales.

b. Contadores Mecánicos.

c. Contadores Electrónicos.

d. Contadores Híbridos

1.3.1 MÉTODO TRADICIONAL

En determinadas circunstancias, se requieren determinar cuántas personas

ingresan, salen, permanecen o permanecieron en algún lugar.

Este método consiste en contar el dinero recaudado por un lapso de tiempo y

dividirlo para el valor cancelado por cada persona al momento de ingresar. Se

puede afirmar que este método de conteo es visual, ya que simplemente se ve

pasar a la gente, sin llevar una constatación certera de que todas las personas

están pagando su entrada.

Este método visual se utiliza a diario por ejemplo en algunos transportes públicos,

en circos, en parques de diversiones, etc., debido a que es muy sencillo, no

requiere de software ni hardware a implementarse, la persona encargada del

conteo no requiere tener conocimientos específicos. Por la antes expuesto, se

cree que este método va a seguir siendo utilizado, siempre y cuando, no cree

repercusiones en los sitios donde se los utilice.

3

Este método no da ninguna clase de seguridad en lo que se refiere a la integridad

de datos, ya que está sujeta a la honestidad, efectividad y eficiencia de una

persona, que en la mayoría de las ocasiones no es el propietario del sitio o lugar,

por lo cual, las personas encargadas de recoger el dinero pueden equivocarse,

quedarse con parte del mismo o hacer pasar a personas sin pagar; sin poder

comprobarlo.

En este caso no conviene a ninguna de las partes involucradas: el propietario del

lugar no tendría certeza de la ganancia real generada, los clientes no tendrán la

seguridad de saber si están o no sobre-poblados en los espacios utilizados y las

autoridades no tendrán control sobre los sitios o lugares al no tener datos de

cómo operan.

La única ventaja de este método visual, es que no acarrea ningún costo extra

para su implementación.

1.3.2 CONTADOR MANUAL MECÁNICO

Este método es híbrido, porque es visual y además utiliza medios mecánicos. Se

basa en tener a dos personas ubicadas en las puertas de ingreso y salida, para

que vayan presionando un pulsador cada vez que pasa una persona; en varios

lugares se ubican más de dos personas para luego realizar un promedio del

conteo.

En la figura 1.1 se muestra el método antes descrito en una estación de metro en

Tokio - Japón, utilizado hasta la actualidad.

4

Figura 1.1 Contador Manual Mecánico1

El método híbrido es usualmente utilizado en eventos donde la entrada es libre,

como festivales o exposiciones.

Existen muchos modelos de pulsadores, pero todos con el mismo principio, el

pulsador se lo ubica en la palma de la mano, introduciendo el dedo índice en una

especie de anillo, quedando de tal forma, que el botón que acciona al contador

queda justo debajo del dedo pulgar; por cada vez que se oprime el botón, se

incrementa el valor de conteo tal como se indica en la figura 1.2:

Figura 1.2 Pulsadores Mecánicos2

1 http://www.ungatonipon.com/wp-content/uploads/2008/09/contadores.jpg

2 www.scheitler.com.ar/Productos/DetalleProducto.aspx?IdProducto=321

5

Su diámetro es aproximadamente de 4 y ½ centímetros. La capacidad máxima de

este contador es de 9999 unidades, pasando de esta cifra se posiciona en 0000

unidades; dispone de una perilla rotativa con la cual se pueden borrar los registros

y encerar los valores.

1.3.3 ENTREGA Y RECEPCIÓN DE TICKETS

Este es un método visual-manual, ya que es un procedimiento basado en la

entrega de tickets, previo el ingreso a un establecimiento, en donde, el personal

encargado de controlar, recolecta los tickets y cuantifica las personas que

pasaron. Es muy utilizado en los cines, estadios, teatros, plazas, coliseos,

transporte público, etc.

Este método presenta el gran riesgo de alterar el resultado del conteo sin entregar

tickets a las personas que se desearía no sean contadas. La efectividad del

conteo se basa en la transparencia de las personas encargadas de la entrega y

recepción de tickets.

Éste proceso exige de una inversión extra de capital, tanto para la impresión de

tickets como para la contratación de personal para la entrega y recepción de

tickets y personal para el conteo y administración de bienes.

1.3.4 EL TORNIQUETE

Los primeros torniquetes fueron absolutamente mecánicos, pero en la actualidad

existen torniquetes con muchos aditamentos, que los hacen que los clasifique en

la categoría de híbridos, gracias a la mezcla de las tecnologías utilizadas para su

funcionamiento.

El torniquete es un elemento mecánico o eléctrico que utiliza el principio de un

torno, cuyos brazos al girar, permiten controlar, regular el acceso y establecer el

paso de una persona a la vez. Existen muchos tipos de torniquetes; pero en

general, la base de su funcionamiento es la misma.

6

Se los puede clasificar en:

· Torniquetes manuales.- Operan mediante el accionamiento de un eje

giratorio auto centrado, cuyos brazos son empujados por el usuario. A cada

vuelta permite el paso de una persona, quedando siempre en posición de

cierre. La mayoría son unidireccionales. En la figura 1.3 se indica un

torniquete manual utilizado en la mayor parte en los buses de transporte

público.

Figura 1.3 Torniquete de tres brazos metálicos3.

· Torniquetes eléctricos.- El funcionamiento es similar a los torniquetes

manuales, se diferencian en que sus brazos se abren automáticamente

cuando el usuario los activa utilizando algún medio (tarjetas de

identificación, monedas, etc.). Pueden ser unidireccionales o

bidireccionales, tal como se indica en la figura 1.4:

Figura 1.4 Torniquete de un brazo4

3 http://img.archiexpo.es/images_ae/photo-p/barrera-con-torniquete-114221.jpg

4 http://img.archiexpo.es/images_ae/photo-g/barrera-con-torniquete-138217.jpg

7

· Torniquetes de doble altura.- Cubre casi la totalidad de la altura de los

lugares en donde es instalado. De acuerdo a la aplicación en la que se lo

utilice, pueden ser unidireccionales o bidireccionales, tal como se ilustra en

la figura 1.5:

Figura 1.5 Torniquete un solo sentido5

· Torniquetes de media altura.- Son los más comunes, tiene una altura

aproximada de 80cm. En la figura 1.6 se observa que se los puede instalar

en sentido contrario, para tener un orden en la entrada y salida de

personas.

Figura 1.6 Torniquete doble sentido6.

5 http://img.archiexpo.es/images_ae/photo-g/torniquete-de-puerta-para-control-de-acceso-

153642.jpg

6 http://img.archiexpo.es/images_ae/photo-g/barrera-pivotante-para-control-de-acceso-113776.jpg

8

· Torniquetes Ópticos Motorizados.- Pueden ser unidireccionales o

bidireccionales, en este caso se tiene unas puertas de cristal que

reemplazan los brazos metálicos de los anteriores torniquetes, trabaja con

un motor para hacer abrir o cerrar las puertas; los más sofisticados,

contienen sensores, tarjetas electrónicas y demás aditamentos (figura 1.7).

Figura 1.7 Torniquetes Ópticos7

· Torniquetes para personas con capacidades diferentes.- Fue creado

especialmente para facilitar el acceso a las personas discapacitadas o que

tengan reducida movilidad (figura 1.8).

Figura 1.8 Torniquetes para personas con capacidades especiales8

7 http://www.digesan.com/torniquetes-opticos-motorizados.html

9

Para que un torniquete se convierta en un contador de personas, se debe añadir

contadores digitales o mecánicos, para que permitan generar y almacenar valores

de conteo cada vez que atraviesa una persona.

De acuerdo a las políticas de ingreso en los lugares donde se los va a utilizar, se

añaden dispositivos electrónicos que faciliten el control de acceso de las

personas.

Los torniquetes permiten un tráfico fluido de personas a un ritmo normal de

circulación, siendo la velocidad de paso de 30 personas/min para torniquetes

manuales y 15 personas/min para torniquetes eléctricos.

El torniquete es muy utilizado en el transporte público, en supermercados,

ingresos de centros de diversiones, etc.

Sin embargo, la mayoría de torniquetes, son un obstáculo para la libre circulación

de las personas con capacidades especiales, mujeres embarazadas, madres con

niños en brazos, personas de la tercera edad, niños, etc. En la actualidad, ya

están siendo retirados, debido al pedido realizado por las entidades en el

Ecuador, que luchan por la igualdad entre todos.

El método de los torniquetes en general, tiene el riesgo de alterar la veracidad de

datos, cuando los brazos o puertas del torniquete sean retenidas para que crucen

más de una persona a la vez.

1.3.5 CONTADOR DE PERSONAS FOTOELÉCTRICO

Este contador se encuentra en la categoría de contadores electrónicos, está

constituido por un transmisor y un receptor; el transmisor, emite en todo momento

rayos de luz mientras que el receptor por medio de una fotocelda9 capta dichos

8 http://www.digesan.com/torniquetes-capacidades-diferentes.html

9 Las fotoceldas son pequeños dispositivos que producen una variación eléctrica en respuesta a

un cambio en la intensidad de la luz.

10

rayos y se energiza, permaneciendo en ese estado hasta detectar el paso de una

persona.

Cuando un cuerpo atraviesa la línea de vista entre el transmisor y el receptor

(figura 1.9), interrumpe los rayos de luz ocasionando que el receptor quede sin

energía; esta transición de energía o cambio en la tensión eléctrica se lo

interpreta como una señal de detección.

Con un software adecuado que interprete y maneje las señales de detección que

emite el receptor, se hace el conteo de las personas, así como la gestión para

otras aplicaciones.

Figura 1.9 Contador Fotoeléctrico10

Este contador detecta cualquier objeto, animal o persona que interrumpa los rayos

de luz; es decir, no solo contará personas, lo cual descarta el poder utilizarlo para

el presente proyecto.

10 http://www.glgroup.cl/contador-de-personas.php

11

En la mayoría de los casos, este contador no puede diferenciar el sentido de paso

de las cosas, por lo que sirve únicamente para saber cuántas personas

atravesaron el acceso.

1.3.6 CONTADOR DE PERSONAS INFRARROJOS

Este contador se encuentra en la categoría de contadores electrónicos.

Su funcionamiento inicia con el registro de datos que tiene lugar mediante uno o

varios sensores infrarrojos activos, los cuales detectan los cambios de

temperatura que se producen cuando pasa una persona debido a su calor

corporal referente a la temperatura ambiente. Estos sensores están en una barra

horizontal (lo más discreta posible) a distancias de 35 a 40 centímetros a una

altura máxima de 2,70 metros en la zona de paso. En la figura 1.10 se muestra la

instalación de la barra de sensores, con la distancia óptima entre ellos (37.5

centímetros):

Figura 1.10 Sistema Contador de Personas Infrarrojo

En determinadas condiciones, también se pueden instalar estos sensores

verticalmente como se muestra en la figura 1.11:

Figura 1.11 Sensor vertical

12

Este método es no intrusivo, además, es insensible a la iluminación ambiental, no

necesita más de una persona para su funcionamiento y es confiable. Entre sus

limitaciones está su corto alcance y elevado costo.

Un ejemplo de este tipo de contadores es el sistema Dilax11, que ha sido

desarrollado para la gestión y administración de medios de transporte; además,

ofrece sistemas estacionarios para el conteo de personas, sistemas para el

conteo de viajeros y análisis del trayecto, software para sistemas móviles,

software sistemas estacionarios, entre otros.

Como contador de pasajeros, el sistema Dilax trabaja con dispositivos esclavos12

en las puertas de acceso, que procesan los impulsos de medición enviados por

los sensores infrarrojos y los convierten en datos de medición.

Los datos de los esclavos se envían al servidor, el cual los almacena y procesa

para el registro final de estadísticas. Además, cuenta con un módulo de entrada

digital que detecta si la puerta a ser censada está abierta o cerrada, lo que

decidirá si permitir o evitar el conteo del esclavo ligado a esa puerta. En la figura

1.12 se muestra el diagrama del sistema Dilax en su forma general:

Figura 1.12 Ejemplo de contador óptico para un tren13 11 www.dilax.com

12 Dispositivo esclavo: no tiene la capacidad de empezar a transmitir datos si no recibe comandos

de activación por parte de los sensores o del servidor.

13

Gracias a la combinación de varios puntos de medición y algoritmos matemáticos,

el sistema de conteo de personas es capaz de descifrar situaciones complejas de

aglomeración y registrar con gran exactitud las personas que ingresan o salen de

un lugar. Los resultados del conteo de los sensores se almacenan de forma

temporal en un dispositivo esclavo, a continuación se transmiten a una central

para su procesamiento y evaluación posteriores.

1.3.7 ALFOMBRAS DE SUBIDA / BAJADA

Este sistema está formado de alfombras que contienen circuitos especiales, los

cuales generan datos hacia un concentrador.

Dos alfombras se montan en forma sucesiva en la entrada o salida de un lugar,

permitiendo así la detección del pasajero, cuando cruce sobre dichas alfombras.

Este sistema contiene un error de medición que oscila entre un 5% y un 10%

dependiendo de la aplicación.

Este sistema no es muy utilizado debido a que requiere de un hardware y

software especial y tiene un alto precio de fabricación e instalación.

1.4 DEFINICIONES BÁSICAS

A continuación, se describen los conceptos fundamentales de los términos que se

utilizan en el presente proyecto.

1.4.1 SENSOR

Un sensor es un elemento transductor que detecta fenómenos físicos y los

transforma en señales eléctricas.

Los sensores se pueden usar para registrar cambios ambientales en función del

tiempo o para registrar el tiempo que transcurre entre un hecho y otro14.

13 www.dilax.com/pdf/marketing/mobilesystems/Conteo_de_Pasajeros_ES.pdf

14http://digital.ni.com/worldwide/latam.nsf/87e62f4c89ea9df9862564250075e6e4/a6c5283ceb7366

cc86256e5900705e37/$FILE/Acondicionamiento%20de%20Se%C3%B1ales.pdf

14

1.4.2 RADIACIÓN

Emisión o propagación de energía en forma de ondas a través del espacio o de

algún medio material.

La radiación propagada en forma de ondas electromagnéticas (rayos UV, rayos

GAMA, etc.) se llama radiación electromagnética, mientras que la radiación

corpuscular es la radiación transmitida en forma de partículas subatómicas

(partículas α, neutrones, etc.) que se mueven a gran velocidad en un medio

vacío15.

1.4.3 RADIACIÓN INFRARROJA

Es un tipo de radiación electromagnética de rayos de luz de mayor longitud de

onda que la luz visible. La radiación infrarroja no se puede ver pero si se puede

detectar. Los objetos que generan calor también generan radiación infrarroja

incluyendo a los animales y el cuerpo humano, el cual tiene una radiación más

fuerte y cuya longitud de onda es de 9.4 micras16. Este rango infrarrojo no logra

penetrar por muchos tipos de materiales, tales como el vidrio y el plástico.

1.4.4 PIRÓMETROS

Un pirómetro es un instrumento utilizado para medir, por medios eléctricos

elevadas temperaturas.

Los pirómetros de radiación miden la temperatura de un cuerpo a distancia en

función de su radiación.

1.4.5 MATERIALES PIEZOELÉCTRICOS

Los materiales piezoeléctricos son aquellos que al ser sometidos a una fuerza

mecánica, llámese golpes o torceduras, deforman su estructura y causan una

polarización eléctrica (los cristales son los elementos típicos; regularmente, los

sensores de ultrasonido están compuestos de cristales de cuarzo), además, si se

deja de aplicar esta fuerza mecánica tienden a recuperar su forma inicial; por

15 http://www.fe.ccoo.es/andalucia/docu/p5sd5396.pdf

16 http://proton.ucting.udg.mx/~mariocc/piro.html

15

tanto, al aplicar la fuerza mecánica, a una frecuencia dada, el material generará

una tensión oscilatoria17, a la misma frecuencia llamada frecuencia de resonancia.

1.4.6 ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

El espectro electromagnético es la distribución de las ondas electromagnéticas,

que se propagan por el espacio con una velocidad constante (300.000km/s

aproximadamente).

Este espectro electromagnético está distribuido desde las frecuencias18 muy bajas

de pocos Hertz (Hz) o ciclos por segundo, hasta llegar a frecuencias muy altas, de

miles de millones de Hertz o ciclos por segundo. De igual manera, y con el mismo

sentido de distribución, las ondas están distribuidas desde las que tienen grandes

longitudes de onda hasta las que tienen pequeñas longitudes de onda; puesto

que, la frecuencia es inversamente proporcional a la longitud de onda.

En este proyecto, las frecuencias que se van a utilizar se encuentran dentro de la

banda de baja frecuencia (LF Low Frecuency) que comprende el rango de 30 KHz

a 300 KHz.

1.4.7 ONDA ULTRASÓNICA

Es una onda acústica o sonora cuya frecuencia es mayor a los 20KHz (límite de

frecuencia audible del oído humano); que tiene una longitud de onda larga, lo que

hace posible que se refleje en objetos que no sean absorbentes tales como una

pared corrugada, etc.

17 La tensión oscilatoria se refiere al movimiento oscilatorio que produce un cuerpo sometido a la

acción de fuerzas opuestas.

18 La frecuencia es un fenómeno físico que se repite cíclicamente un número determinado de

veces durante un segundo de tiempo, su unidad es el Hertz (Hz).

16

1.5 SENSOR PIR (Pyroelectric Infrared Radial Sensor)

Los dispositivos más sobresalientes e importantes de este proyecto son los

sensores PIR, a continuación una breve descripción de los sensores PIR en

general.

El sensor piroeléctrico es un dispositivo que mide cambios en los niveles de

radiación infrarroja emitida por los objetos a su alrededor. Está hecho de un

material cristalino o cerámico, que genera una carga eléctrica en su superficie

cuando se expone al calor en forma de radiación infrarroja. Cuando la

temperatura del exterior cambia, la radiación infrarroja que recibe el PIR también

lo hará, por tanto, la carga eléctrica sufrirá una variación que será detectada por

un FET ubicado dentro del sensor. Los elementos del sensor son sensitivos a un

amplio rango de radiación infrarroja, por lo que se adhiere un filtro que limita el

rango entre 5µm y 14µm, en el cual, se ubica la radiación promedio de un cuerpo

humano a 36 grados centígrados19.

Compuesto de dos elementos que censan los cambios de radiación infrarroja,

colocados en una polarización opuesta entre ellos (figura 1.13), con el fin de

anular las señales de interferencia causadas por la luz solar, vibraciones y

variaciones de temperatura, mejorando en gran escala la estabilidad de

funcionamiento del sensor.

Figura 1.13 Área de Detección del Sensor PIR

19 http://www.iac.es/galeria/hcastane/iso/05.html

17

Cuando una persona pasa frente al sensor, cada uno de los elementos se activa

en forma secuencial y generan un cambio de tensión eléctrica, el cual puede ser

positivo o negativo dependiendo de la dirección en que se pase. Al ser opuestas

las polaridades de los sensores, necesariamente los pulsos generados serán de

diferente polaridad como se ilustra en la figura 1.14:

Figura 1.14 Diferente polaridad del sensor PIR

A diferencia de otros sistemas, como los ultrasónicos o de microondas, los

sensores PIR no emiten radiación; sino que, solo reciben "pasivamente" la

radiación infrarroja proveniente de cuerpos a temperatura superior al ambiente

(todo cuerpo caliente emite radiación infrarroja); además, presentan gran ahorro

de energía y protegen el medio ambiente.

Los sensores PIR son, al igual que los infrarrojos, de una muy buena

confiabilidad, ya que actúan siempre en conjunto con programas especializados

que los hace más precisos; pero, los primeros son de bajo costo, reducido tamaño

y si bien su implementación es más complicada, es mejor, comparado con el

costo final de un contador de personas elaborado a través de la tecnología

infrarroja, por ejemplo el DILAX (antes mencionado en el literal 1.3.6, como

contador de personas con sensores infrarrojos).

18

1.6 SENSOR DE ULTRASONIDO

El sensor de ultrasonido es un transductor que convierte energía eléctrica en

energía mecánica, en forma de sonido.

Es un dispositivo formado de un transmisor y un receptor de ondas ultrasónicas,

compuestos de materiales piezoeléctricos, que se utiliza generalmente, para

detectar la distancia a la que se encuentra un objeto cualquiera del transmisor,

mediante la medición de tiempo que se demora en reflejarse dicha onda hasta el

receptor. En la figura 1.15 se indica un par de sensores ultrasónicos

implementados en una misma placa para su directa aplicación.

Figura 1.15 Sensor Ultrasónico

Al generarse un movimiento oscilatorio en el material piezoeléctrico, la energía se

disipa a través del espacio libre en forma de una onda que oscilará a la frecuencia

de resonancia, dicha onda es la utilizada para radiar a los cuerpos y verificar la

distancia a la que se encuentran del transmisor.

En el módulo de medición, un emisor envía un tren de pulsos ultrasónicos — con

una frecuencia en el orden de los 38 a 50 KHz — y el receptor espera el rebote,

como se muestra en la Figura 1.16.

19

Figura. 1.16 Funcionamiento de los Sensores Ultrasónicos 20

Midiendo el tiempo que transcurre entre la emisión del sonido y la percepción del

eco se puede establecer la distancia a la que se encuentra el obstáculo que ha

producido la reflexión de la onda sonora, mediante la fórmula: D = ( V * t ) / 2,

donde V es la velocidad del sonido en el aire y t es el tiempo transcurrido entre la

emisión y recepción del pulso.

Esta medición se calcula teniendo en cuenta la velocidad del sonido en el aire,

que si bien varía según algunos parámetros ambientales, como la temperatura,

igualmente permite una medición bastante precisa.

Uno de los limitantes de este tipo de sensores, es la ubicación del receptor, ya

que si está demasiado alejado del transmisor, puede dejar de localizar a los

objetos que están cerca, o por el contrario, si el receptor está muy cerca del

emisor no detectará los objetos que están lejos (llamada zona muerta), así como

se muestra en la siguiente figura 1.17:

20 http://www.roso-control.com/Espanol/iBOARD/170_iBOARD_Ping_IR/PING/PING.pdf

20

Figura 1.17 Zona Muerta del sensor ultrasónico21

Se pueden señalar dos clases de sensores ultrasónicos por su ubicación física:

los que presentan un emisor y un receptor separados y los que alternan su

función como transmisores - receptores, por medio de un circuito de conmutación,

sobre un mismo elemento piezoeléctrico.

Los sensores ultrasónicos también se clasifican por la encapsulación de sus

elementos:

· Sensores de cápsula abierta: son aquellos que todos sus elementos no

están recubiertos por ningún tipo de caja protectora, ideales para

aplicaciones de alta presión de sonido y gran sensibilidad.

· Sensores de cápsula cerrada: son aquellos que están herméticamente

encapsulados para su protección, pueden ser de encapsulado metálico

herméticos a prueba de agua y polvo. Ideales para aplicaciones que

trabajan en ambientes agresivos.

21 http://www.agspecinfo.com/notas/Nota1/MDU-AG_files/Medidorultrasonico.pdf

21

1.7 DESCRIPCIÓN DE LOS ELEMENTOS ACTIVOS Y PASIVOS

QUE CONFORMAN EL PROTOTIPO

Se consideran elementos activos a los dispositivos que son capaces de generar

una tensión o una corriente y suministrar potencia a una carga dada. En el

proyecto se ha visto la necesidad de usar dispositivos de este tipo como:

sensores, un microcontrolador, un display de cristal líquido, amplificadores, una

fuente, un cristal de cuarzo, un transistor, etc.

Se consideran elementos pasivos aquellos que al circular corriente producen una

diferencia y disipan potencia en forma de calor (energía). En el proyecto se ha

visto la necesidad de usar dispositivos de este tipo como: resistencias,

capacitores.

1.7.1 SENSOR PIR D203S

Es un dispositivo piroeléctrico activo, diseñado para detectar la presencia y

movimiento de personas basándose en la diferencia de temperatura de éstas

respecto al ambiente circundante. Como respuesta a esta detección, el sensor

cambia su respuesta analógica.

Los sensores PIR de acuerdo a su modelo, brindan una gama muy amplia de

aplicaciones. De acuerdo a los requerimientos de este proyecto, se seleccionó los

PIR D203S que posee una alta sensibilidad a la radiación infrarroja del ser

humano, una alta capacidad para transmitir energía electromagnética denominada

también transmitancia22, bajo consumo de energía, lo cual garantizará resultados

confiables en la observación del cruce de una persona por un punto determinado.

Al energizarse el sensor PIR D203S necesita de un tiempo para establecer su

respuesta y comenzar a operar de forma adecuada, esto se debe a que tiene que

adaptarse a las condiciones propias de operación en el ambiente donde fue

instalado. Durante este tiempo el sensor reconoce el estado de reposo o 22 http://perso.wanadoo.es/sergioram1/espectrofotometria.htm

22

movimiento en el ambiente, por lo que es recomendable la ausencia de personas

en la vecindad del sensor. Esto puede durar entre 20 y 90 segundos según el

fabricante.

1.7.2 SENSORES DE ULTRASONIDO

Es un elemento activo, que funciona como un transductor que trabaja en la banda

LF (Low Frecuency, baja frecuencia) del espectro electromagnético a 40KHz y

para tener un alto rendimiento debe ser configurado en forma dual.

Operan en frecuencias estandarizadas y tiene buena sensibilidad. Son ideales

para mediciones de distancia de objetos, aplicaciones robóticas, alarmas, puertas

automáticas, sensores de líquidos, etc. En este proyecto, estos sensores son

aplicados para la detección de posibles obstrucciones del contador.

Se ha optado por emplear el sensor ultrasónico modelo US1240 ya que, es uno

de los que mejores características presenta de acuerdo a las necesidades del

presente prototipo. Algunas de estas características son: sus reducidas

dimensiones, es de un peso no excesivo, trabajan a una frecuencia de 40Khz,

tienen un gran alcance y son económicos.

1.7.3 MICROCONTROLADOR ATMEGA 324P

Elemento activo, de naturaleza CMOS (tecnología de bajo consumo: en estado de

reposo, el consumo de energía es únicamente debido a las corrientes parásitas)

de 8 bits basado en la arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer,

Computadora con Conjunto de Instrucciones Reducidas, es un tipo de

microprocesador con instrucciones de tamaño fijo, presentadas en un reducido

número de formatos)23.

El microcontrolador es un dispositivo capaz de tomar señales generadas por los

sensores, para verificarlas y procesarlas. Dependiendo del programa instalado,

23 http://www.azc.uam.mx/publicaciones/enlinea2/num1/1-2.htm

23

enviará datos en forma digital a un programa de software para su

almacenamiento.

1.7.4 DISPLAY DE CRISTAL LÍQUIDO LCD

Una forma rápida de visualizar resultados de algún circuito, es por medio del

display, ya que su funcionamiento no es complicado, basta programarlo con unas

pocas sentencias y estará funcionando.

El display es un elemento activo que tiene gran variedad de tipos, que varían en

tamaño y forma. El display escogido para el proyecto es el LCD de 2 líneas de 16

caracteres, todos los displays de este tipo disponibles en el mercado son

compatibles entre sí.

Este display visualiza 16 caracteres en cada fila, pero puede almacenar hasta 40

caracteres por línea, el programador especificará que 16 caracteres son los que

se van a visualizar.

La tensión nominal de alimentación es de 5V, con un consumo menor de 5mA.

El LCD dispone de una matriz de 5x8 puntos para representar un carácter, en

total se pueden representar 256 caracteres diferentes, de los cuales 240 están

grabados en el LCD y 8 que pueden ser definidos por el usuario (códigos

comprendidos entre el 0 y el 7)24.

En la tabla 1.1 se muestra los caracteres más importantes que el display puede

imprimir, todos los códigos están en hexadecimal;

24 http://www.todorobot.com.ar/documentos/display.pdf

24

Tabla 1.1 Código asociado a cada carácter imprimible por el display25

1.7.5 AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Los amplificadores operacionales son elementos activos utilizados sobre todo

para aumentar la tensión, la corriente o la potencia de una señal. Es

generalmente un circuito electrónico que tiene dos entradas y una salida. La

salida es la diferencia de las dos entradas multiplicadas por un factor de ganancia.

Como las señales de salida de los sensores son muy pequeñas, se necesitan

varias etapas de amplificación, para lo cual se utilizará el operacional LM324AD,

que posee cuatro amplificadores operacionales en un mismo circuito integrado.

En la figura 1.18 se indica la distribución de pines del circuito integrado LM324AD:


25

Figura 1.18 Amplificador Operacional LM324AD

1.7.6 FUENTE DE PODER DE 5V

Las fuentes de poder son elementos activos que convierten la corriente alterna,

que se puede obtener de la red eléctrica, en voltajes constantes de corriente

continua. El primer elemento de la fuente de alimentación utilizada es un

regulador, que mantiene o disminuye la tensión de entrada a un nivel adecuado

para el funcionamiento del equipo. Para este proyecto se necesita una fuente de

poder de 5 V.

1.7.7 CRISTAL

Es un elemento activo piezoeléctrico generalmente de cuarzo, que al aplicar un

voltaje empieza a oscilar. Trabaja como un oscilador exterior para el

microcontrolador.

El cristal está hecho de material piezoeléctrico, el cual tras la aplicación de fuerza

mecánica comienza a oscilar. El cuarzo es el elemento en la naturaleza que oscila

con más estabilidad, es por eso que la mayoría de cristales destinados a la

excitación de microcontroladores están fabricados de cuarzo.

1.7.8 TRANSISTOR

Un transistor es un dispositivo electrónico activo fabricado de un material

semiconductor capaz de controlar una corriente eléctrica, amplificándola o

conmutándola. Tiene tres terminales y regularmente es utilizado como

amplificador e interruptor, en el que una pequeña corriente o tensión aplicada a

26

uno de los terminales controla o modula la corriente entre los otros dos

terminales.

1.7.9 LENTE DE FRESNEL INFRARROJO

Son lentes de vidrio o plástico tallados o fabricados de tal forma que, cuando esté

atravesado por un rayo de luz, se comporte de la misma forma que un lente plano

convexo. Cada rayo que ingresa al lente cambia su dirección enfocándose en una

región específica, obteniendo más direccionalidad y potencia. En la figura 1.19 se

muestra como los rayos de una fuente de luz que están dispersos, se

conglomeran después del paso a través de un lente de Fresnel:

Figura 1.19 Comportamiento de la Luz a través del Lente de Fresnel26

Su diseño permite la construcción de lentes de gran apertura y una corta distancia

focal, sin el peso y tamaño de una lente convencional, gracias a que se pueden

mantener los radios de curvatura de las lentes, separándolas en anillos circulares

concéntricos consecutivos, con lo cual el grosor de la lente en cada anillo es

diferente, eliminando el espesor que tuviera si fuera una superficie continua.

Todos los lentes de Fresnel se componen de un conjunto de elementos

reflectantes y refringentes (lentes, prismas y anillos) por medio de los cuales los

rayos emitidos por una fuente de luz se desvían en la dirección deseada. 26http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/OptGeometrica/Instru

mentos/fresnel/fresnel_prensibi2.jpg

27

Si el lente de Fresnel se basa en la reflexión, constituye un catoptrio. Son espejos

parabólicos que producen un haz reflejado de rayos paralelos, es decir un haz

unidireccional, o bien espejos elíptico parabólicos en que los haces reflejados

sólo son paralelos en determinadas direcciones (figura 1.20).

Figura. 1.20 Espejo Catoptrio

Si el lente de Fresnel se basa en una doble refracción, constituye un dioptrio

(figura 1.21).

Figura. 1.21 Espejo Dioptrio

Si a través del prisma se producen dos refracciones y una reflexión total,

constituye un catadioptrio (figura 1.22).

Figura. 1.22 Espejo Catadioptrio

Los lentes de Fresnel son diseñados teniendo muy en cuenta la aplicación en los

que se le van a usar, el lente utilizado en el presente proyecto está compuesto de

espejos dióptricos y catóptricos que concentrarán la luz en un solo punto focal.

28

Existen en el mercado una amplia gama de lentes de Fresnel para diferentes

aplicaciones tales como, proyectores, detectores de presencia, aparatos para los

vehículos, etc. Son elementos pasivos, es decir no necesitan de energía para

funcionar.

En este proyecto se utilizaran a los lentes de Fresnel conjuntamente con los

sensores PIR, creando un determinado ángulo de detección, dividiendo y

amplificando, el haz de los sensores en zonas; existen dos alternativas de lentes

que podemos ocupar, los lentes para sensores PIR, y los lentes planos. Se ha

escogido los lentes planos por la facilidad de obtención, ya que se los encuentra

en cualquier distribuidor, no así, los lentes para sensores PIR que solo se los

encuentra en el mercado extranjero, bajo pedido.

Los lentes de Fresnel planos son flexibles, hechos de un material plástico de alta

densidad, de color blanco lechoso. Al trabajar con lentes de Fresnel planos, no

existe un tamaño estándar; el tamaño depende de la aplicación en la que se va a

usar. En la figura 1.23 se muestra en gran escala la forma de un lente de Fresnel:

Figura 1.23 Lente de Fresnel Plana27

27 http://www.3dlens.com/shop/proddetail.php?prod=%235076

29

1.7.10 RESISTENCIA

Una resistencia es un componente electrónico pasivo, que ofrece oposición al

paso de la corriente eléctrica. Para definir el valor de una resistencia se utiliza

como unidad el ohmio, que se representa por la letra griega omega (Ω).

La Ley de Ohm, indica cómo se comporta una resistencia sometida a una

diferencia de potencial y cuál será la corriente que lo atraviesa. Esta ley establece

que la intensidad de la corriente que circula por una resistencia es directamente

proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la

resistencia del mismo, tal como lo expresa la fórmula siguiente:

28 (ec.1.1)

Donde:

I es la intensidad de corriente en amperios (A)

V la diferencia de potencial expresada en voltios (V)

R el valor de la resistencia en ohmios (Ω)

1.7.11 POTENCIÓMETRO

Un potenciómetro es una resistencia variable que actúa como un divisor de

voltaje. Tiene tres terminales, uno de los cuales es un contacto móvil deslizante,

la resistencia es proporcional al desplazamiento del mismo.

1.7.12 CAPACITOR

Es un componente electrónico que almacena cargas eléctricas para utilizarlas en

el circuito en el momento adecuado. Los capacitores están formados por dos

placas metálicas separadas por un material aislante. Se van a utilizar dos tipos de

capacitores en el proyecto:

· Condensadores electrolíticos.- Si se conecta una fuente a los pines del

capacitor, durante un breve tiempo fluirá una corriente eléctrica que se

28 http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_ley_ohm/ke_ley_ohm_1.htm

30

acumulará en cada una de ellas. Si se desconecta la fuente, el capacitor

conserva la carga y la tensión asociada a la misma por un lapso de tiempo.

· Condensadores cerámicos o tipo lenteja.- son buenos aislantes térmicos y

eléctricos, se fabrican de 1pF a 1nF (grupo I) y de 1pF a 470nF (grupo II)29.

Se utilizan en circuitos que necesitan alta estabilidad y bajas pérdidas en

altas frecuencias. Las tensiones rápidamente cambiantes, el condensador

cerámico actúa como conductor de la corriente alterna.

1.8 VARIABLES FÍSICAS QUE INFLUYEN EN LOS SENSORES PIR

Y ULTRASÓNIDO EN LAS MEDICIONES

Es importante conocer los factores que influyen en el momento de la medición de

los sensores, para poder tomarlos en cuenta en el diseño del proyecto y verificar

la influencia que tienen al momento de realizar las pruebas. A continuación, se

describen los factores más relevantes:

1.8.1 TEMPERATURA

La temperatura ambiental es un parámetro que afecta directamente a los

sensores, ya que estos tienen un rango de temperatura de trabajo; si se trabaja

fuera de estos rangos, la medición será inexacta y hasta inservible, debido a lo

cual, en las recomendaciones de los sensores está tener en cuenta que los sitios

donde se va a ubicar al contador, no cuenten con variaciones altas de

temperatura, por ejemplo cerca de calefactores o donde se exponga directamente

al sol.

Además, la temperatura tiene una relación directa con la velocidad del sonido,

basta una variación de algunos grados para que los sensores PIR y ultrasónicos

sean afectados, no en una escala significante, pero hay que tomarla en cuenta,

para evitar variaciones inesperadas en la velocidad de respuesta de los sensores

29 http://fisica.udea.edu.co/~lab-gicm/2009_electronica/2009_condensadores_comerciales.pdf

31

y en la variación de la medición. En la figura 1.24 se indica cómo puede la

temperatura afectar a los rayos reflejados del ultrasónico:

Figura 1.24 Variación de la medición debido a la temperatura

1.8.2 INFLUENCIAS DE LAS CORRIENTES DE AIRE Y DE LAS

CONDICIONES ATMOSFÉRICAS

Este prototipo es diseñado para utilizarlo en lugares cerrados, generalmente

donde no le afecte la lluvia, el viento, neblina, etc.; pero no se puede descartar la

posibilidad de que se instale en puertas exteriores, en los que se generan

turbulencias de aire, que pueden desviar o deteriorar las ondas de sonido y

reducir la señal del eco. Las corrientes de aire tienden a llevar el sonido en la

dirección del viento; las corrientes grandes pueden desviar el sonido lo suficiente

como para errar el blanco propuesto, causando una medición errada en los

sensores ultrasónicos. La influencia de estas turbulencias sobre la señal

ultrasónica es muy difícil de ser cuantificada.

Además todos estos factores climáticos afectarán en la vida útil de los sensores si

no son controlados con las debidas precauciones.

1.8.3 SUPERFICIE

La superficie ideal del objeto a medir debe ser consistencia regular y debe estar

colocado de forma perpendicular a los sensores de ultrasonido; en estas

condiciones, las señales de eco serán de amplitudes considerables y en

consecuencia serán detectadas a distancias más largas.

32

Por el contrario, si la superficie en la que inciden las ondas de sonido es rugosa e

irregular, la señal de retorno habrá variado en amplitud debido a la dispersión del

sonido, será más pequeña y difícil de detectar o manipular.

En la figura 1.25 se muestra el haz ideal de reflexión para cuerpos totalmente

lisos y regulares:

Figura 1.25 Reflexión del sonido en el ángulo de incidencia

1.8.4 DISTANCIA

Mientras más corta sea la distancia desde el contador al objeto a medir, más

fuerte será la señal recibida en el sensor, intuyendo que hay una proporcionalidad

directa entre la distancia del objeto a censar y la amplitud de la señal reflejada.

1.8.5 ÁNGULO

La inclinación de la superficie del objeto a detectar afecta la reflectividad. El objeto

en el que chocan las ondas ultrasónicas debería estar perpendicular a los

sensores, para que el rebote vaya también en dirección perpendicular y sea

detectado por el receptor con gran exactitud.

33

El emisor ultrasónico emite una ráfaga de pulsos al exterior en una forma de haz

cónico que cubre gran cantidad de espacio, al tener una respuesta de censado, el

receptor no diferencia la posición angular del objeto; por tanto, se deberá hacer

los ajustes pertinentes a la cobertura del haz y ubicar al contador en un lugar

adecuado, para que no exista confusión entre la distancia del objeto que

queremos censar y/o un objeto que se encuentre cerca del contador (figura 1.26).

Figura 1.26 Incertidumbre de la posición del objeto

1.8.6 ENERGÍA

La energía eléctrica es un factor determinante en este proyecto, ya que no es

recomendable el uso de baterías para su alimentación, porque los sensores

pierden sensibilidad si minora el valor de energía proporcionada para la

alimentación del circuito.

1.8.7 INTERFERENCIAS ELECTROMAGNÉTICAS

Otra posible perturbación son las interferencias electromagnéticas y los choques o

alteraciones mecánicas. Los valores de estas perturbaciones dependen

fuertemente de los picos de voltaje y de la tensión aplicada a los circuitos.

En la figura 1.27 se muestra gráficamente la relación entre el ruido normal del

sensor y la señal emitida cuando al sensor lo afecta un cambio abrupto de

movimiento de aire:

34

Figura. 1.27 Perturbaciones que presenta el sensor PIR

1.9 POSIBLES CASOS QUE SE PUEDEN PRESENTAR AL

MOMENTO DE LA MEDICIÓN

1.9.1 PASO DE UNA PERSONA

Este es el caso ideal para el conteo, puesto que el contador se basa en el ingreso

y/o salida de personas en forma ordenada y uniforme.

1.9.2 PASO DE DOS PERSONAS JUNTAS

Para este caso, se va a utilizar el lente de Fresnel para tratar de calibrar el haz de

cobertura de los sensores, para que detecte el paso de una persona y enseguida

pueda determinar que está pasando otra.

1.9.3 SENSORES CON OBSTRUCCIONES

El contador puede ser sujeto de obstrucciones para su normal funcionamiento,

para lo que debe emitir una señal de alarma cuando determinen que algo está

muy cerca y el administrador será quien determine la solución a tomarse.

1.9.4 PASO DE COSAS U OBJETOS

Para que el contador no cense objetos, se debe elegir un PIR que solo detecte

radiación emitida por humanos.

35

2 CAPÍTULO 2: DISEÑO DEL PROTOTIPO

2.1 INTRODUCCIÓN

El prototipo contador de personas contiene como elementos básicos un par de

sensores PIR y un par de sensores de Ultrasonido; las señales generadas por

estos sensores son modificadas para ser procesadas mediante un

microcontrolador y cuya información será utilizada para formar el contador de

personas. Se utiliza un programa basado en visual basic.net para visualizar los

datos del conteo.

Para realizar la explicación del diseño de una manera ordenada se ha divido el

prototipo en los siguientes bloques:

2.2 HARDWARE

El hardware está conformado por las partes físicas y tangibles del prototipo, entre

las más relevantes están: fuente de alimentación, bloque de sensores PIR, bloque

de sensores de Ultrasonido, lentes de Fresnel, microcontrolador, interfaces para

comunicaciones y el display.

36

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37

Figura 2.2 Regulador LM7805CT

En la hoja de datos de este regulador, el fabricante recomienda la utilización de

capacitores tanto en el pin de entrada como en el de salida y su valor mínimo,

para el presente proyecto se ha colocado capacitores de mayor valor, lo que es

más que suficiente para su buen funcionamiento.

Se utilizan cuatro capacitores; el primer capacitor de 0.1uF a la entrada, para

filtrar los cambios abruptos de voltaje que puedan generarse en la entrada del

circuito, llamados transitorios; el segundo de 1000 µF a la entrada también, para

convertir una onda rectificada en un continua, el tercer capacitor de 470 µF a la

salida destinado a disminuir la componente alterna que queda después de

rectificar el voltaje de entrada llamada tensión de rizado y el último de 0.1 µF que

mantiene el intervalo del voltaje de entrada al regulador.

En la figura 2.3 se muestra el circuito de la fuente de alimentación de 5 VDC y en la

figura 2.4 se muestra su simulación:

Figura 2.3 Circuito de la fuente de alimentación

D1

1N4007

VI1

VO3

GN

D2

U17805

C10.1uF

C21000uF C3

0.1uF C4470uF

A

B

C

D

+12

38

Figura 2.4 Simulación de la fuente de alimentación

Un diodo a la entrada del circuito es recomendado y utilizado como protección,

cuando equivocadamente la placa sea alimentada con voltaje de polaridad inversa

al originalmente configurado.

2.2.2 MÓDULO PIR

Para este proyecto se ha escogido, de una gama de PIR, el que mejor se acople

a las necesidades. Se presentan algunas de las alternativas revisadas, tomando

como base las características más esenciales:

a) Sensor de Radiación Infrarroja D203B

Este sensor se caracteriza por:

· Salida = 3.5 mV.

· Tensión de alimentación = 3 – 5 V

· Tamaño de la ventana = 5 x 3.8 mm.

· Diámetro del sensor = 9.1 mm.

· Respuesta espectral = 5 - 14 µm.

· Temperatura de operación = -30 – 70 ºC

39

En la figura 2.5 se indica el sensor D203B:

Figura 2.5 Sensor de Radiación Infrarroja D203B30

b) Sensor Piroeléctrico de Radiación Infrarroja D203S


· Salida = 3.5 mV.

· Tensión de alimentación = 3 a 15 V

· Tamaño de la ventana = 4 x 3 mm.


· Respuesta espectral = 5-14 µm.


En la figura 2.6 se indica el sensor D203S:

Figura 2.6 Sensor Piroeléctrico de Radiación Infrarroja D203S31

30 http://futurlec.com/PIR_D203B.shtml

40

c) Sensor de Radiación Infrarroja de Haz Estrecho


· Salida = 70 mV.

· Tensión de alimentación = 3 A 15 V

· Tamaño ventana = 2 X 3 mm.


· Respuesta espectral = 5-14 µm


En la figura 2.7 se indica el sensor de haz estrecho:

Figura 2.7 Sensor de Radiación Infrarroja de Haz Estrecho32

d) Sensor Piroeléctrico Infrarrojo serie IRA-E420


· Salida = 3.4 mVp-p

· Tensión de alimentación = 3 a 15 V


31 http://futurlec.com/PIR_D203S.shtml

32 http://futurlec.com/PIR_D202X.shtml

41

· Filtro óptico = 4.3 µm.


En la figura 2.8 se indica el sensor IRA-E420:

Figura 2.8 Sensor Piroeléctrico Infrarrojo serie IRA-E42033

Se decidió usar el sensor PIR D203S por la facilidad de conseguirlo localmente y

porque cuenta con las características requeridas.

En la figura 2.9 se muestra algunos datos sobre las dimensiones del sensor PIR

D203S:

Figura 2.9 Dimensiones del Sensor PIR D203S34

33 http://www.murata.com/catalog/s21e5.pdf

42

Como se observa en la figura 2.9, las dimensiones del sensor PIR D203S son las

siguientes:

Electrodos receptores infrarrojos: 2 elementos de 2 x 1mm

Tamaño de la ventana: 4 x 3mm

Tamaño: 8.2±0.2 x 4.5±0.2mm

El sensor cuenta con tres terminales, dos de los cuales se utiliza para la

alimentación del sensor y el tercero es la salida, donde emite las señales de

detección de movimiento de una persona.

En la tabla 2.1 se muestra los parámetros técnicos adicionales del sensor PIR

D203S35:

Tabla 2.1 Parámetros Técnicos del Sensor PIR D203S

34 Manual del sensor PIR D203S http://www.bizchip.com/330600005.pdf


43

En la figura 2.10 se indica la curva típica de un filtro IR pasa alto de 5.5µm,

utilizado en los sensores PIR para limitar el censado solamente a seres humanos;

donde se visualiza el rango de respuesta espectral del sensor PIR.

Figura 2.10 Respuesta Espectral del Sensor PIR D203S36

El circuito para la polarización del sensor PIR D203S recomendado por el

fabricante, se muestra a continuación en la figura 2.11:

Figura. 2.11 Circuito recomendado para el sensor PIR D203S37

Se parte del antes mencionado circuito (figura 2.11) para el diseño. Si existe una

detección de paso de una persona, el sensor PIR proporciona una señal de salida

de la siguiente forma:


37 http://www.bizchip.com/330600005.pdf

44

Figura. 2.12 Señal de salida de sensor PIR D203S

En la figura 2.12, la señal de salida tiene dos picos con diferente polaridad.

Debido a que el pico negativo experimentalmente es inestable, se ve la necesidad

de colocar otro sensor PIR colineal y de diferente polaridad. En la figura 2.13 se

observa la señal de salida de un sensor en sentido contrario:

Figura. 2.13 Señal de salida de sensor PIR D203S invertido

Las señales de salida de los dos sensores inician al mismo tiempo, pero tienen

una forma contraria entre sí como se observa en la figura 2.14:

Figura 2.14 Señales de salida los dos sensores en sentido contrario

45

En la figura 2.14, se observa que los picos positivos están desplazados en el

tiempo; siendo el primero en ocurrir, el ligado al PIR 1 y el segundo ligado al PIR

2. Con este ejemplo, dependiendo de qué pico aparezca primero, se va a

diferenciar el sentido de paso de una persona, como se observa en la figura 2.15:

Figura 2.15 Señales en el tiempo detectadas por lo sensores dependiendo del

sentido de paso de una persona

Ya que la señal proporcionada por el sensor PIR es de baja amplitud, se requiere

de una etapa de amplificación para poder procesarla; adicional, para eliminar

ruido y/o posibles interferencias se necesita un filtro pasa banda.

La señal de salida del filtro debe ingresar a una etapa de comparación, para

obtener señales TTL (0L ó 1L); las cuales podrán ser procesadas en el

microcontrolador. En la figura 2.16 se observa el diagrama de bloques que

describe el proceso que siguen las señales de los sensores PIR hasta el ingreso

al microcontrolador:

Figura 2.16 Diagrama de bloques de las señales de salida de los PIR

46

Comparador.- Las señales de salida del comparador, ingresan al

microcontrolador para ser procesadas junto con las señales del segundo sensor

PIR y se determina el sentido de paso de una persona.

Un amplificador operacional puede funcionar como comparador y diferenciar cuál

de las dos señales en sus entradas es mayor, dando como resultado el máximo o

mínimo valor de polarización del operacional. Para el caso particular del contador

de personas, en la entrada negativa se coloca un valor de referencia y en la

entrada positiva la señal resultante de la etapa del amplificador, como se muestra

en la figura 2.17:

Figura. 2.17 Comparador acoplado a la señal de salida del amplificador

La señal de referencia es recomendable que sea variable para poder ajustar su

valor de voltaje, dependiendo del voltaje de la señal amplificada. Dicha variación

se la realiza a través de un divisor de tensión con un potenciómetro de 1 KΩ

conectado a VCC y tierra; para poder calibrarlo de acuerdo a las pruebas que se

realicen en el laboratorio. Se asume que la señal resultante de la etapa del

amplificador llegue a ser de un voltaje de 2.8 VAC para poner la señal de

referencia en 2.5 VDC. El principio fundamental del comparador indica que:

47

Si Sa > Sr → sigPIR1 = 1L

Si Sa < Sr → sigPIR1 = 0L

Es decir se pueden dar dos posibles niveles de señal:

ü Si la señal amplificada es menor que la señal de referencia, se envía un

voltaje digital de bajo nivel (0 V) y se interpreta como la perturbación de un

elemento externo en el sensor, totalmente diferente al paso de una

persona.

ü Si la señal amplificada es mayor que la señal de referencia, se envía un

voltaje digital de alto nivel (5V) y se interpreta como el paso de una

persona por el haz de cobertura del sensor PIR.

En la figura 2.18, se muestra la señal de salida después del comparador

convertida en pulsos digitales, las cuales ya pueden ser procesadas en el

microcontrolador.

Figura. 2.18 Señal de salida del comparador

Filtro Pasa-banda Activo.- el filtro pasa-banda activo cumplirá dos funciones:

filtrar la señal con frecuencia central de 1 Hz y amplificarla hasta obtener una

señal de mínimo V = 2.8 VAC.

Se va a utilizar un amplificador operacional LM324AD, configurado como un

amplificador no inversor como se muestra en la figura 2.19. La ventaja de esta

configuración, es la independencia entre la resistencia interna del operacional y el

sensor, lo que no requiere de un circuito de adaptación entre estos.

48

Figura 2.19 Amplificador no inversor

Mediante pruebas realizadas en el laboratorio, la señal de sensor PIR es de un

voltaje V= 467.2 mV. Se calcula a continuación la ganancia que se debería tener

para llegar a los 2.8 voltios requeridos.

Se debe configurar un filtro pasa banda con el objetivo de eliminar ruido o señales

que estén fuera del rango de frecuencia de operación de los sensores. La

frecuencia central a la que opera este dispositivo es de 1Hz; por lo tanto, se ha

fijado como umbrales de frecuencia 0.3Hz y 3.5Hz.

Filtro Pasa-bajos ( ) con Ganancia G=2

Un filtro activo está constituido por elementos activos (amplificador operacional) y

elementos pasivos (resistencias y capacitores). Los elementos pasivos son los

encargados de limitar los rangos de frecuencia del filtro, en este caso para el filtro

49

pasa-bajos se desea que la frecuencia de corte este en ; es decir, que

todas las frecuencias menores a 3.5Hz pasen a la siguiente etapa y las

frecuencias mayores a esta se distorsionen o no ingresen. De acuerdo a la

fórmula que define la frecuencia de corte en un filtro se puede calcular los valores

de resistencias y capacitores necesarios.

Se asume el valor del capacitor para calcular el valor de la resistencia

Para optimizar el funcionamiento del circuito integrado se va a configurar el filtro y

el amplificador en la misma etapa. Configurando al circuito integrado como un

amplificador no inversor por el pin negativo y un filtro pasa-bajos por el pin

positivo.

50

En la figura 2.20 se puede observar el circuito del filtro pasa-bajos y la

configuración como amplificador no inversor.

Figura 2.20 Circuito del Filtro Pasa bajos con una ganancia de 2

En la figura 2.21 se muestra el diagrama de bode del filtro pasa bajos:

Figura 2.21 Diagrama de Bode del filtro pasa bajo con ganancia 2

3

21

411

U1:A

LM324

R1

22k

R24k7

R3

1k

C147uF

R3(2)

U1:A(V+)

U1:A(V-)

U1:A(OP)

51

Filtro Pasa-altos con Ganancia G=3

Para el filtro pasa-altos se desea que la frecuencia de corte este en .

Se requiere una ganancia de 3:

52

En la figura 2.22 se muestra el circuito del filtro pasa-altos y su respectiva

ganancia.

Figura 2.22 Circuito del filtro pasa altos con ganancia de 3

En la figura 2.23 se muestra el diagrama de bode del filtro pasa altos:

Figura 2.23 Diagrama de Bode del filtro pasa altos con ganancia de 3

3

21

411

U1:A

LM324

C2

1uf

R54k7

R4

10k

R6470K

+5

C2(+)

53

El filtro pasa-banda activo es la consecución del filtro pasa bajos y del filtro pasa

altos con sus respectivas ganancias, como se puede observar en la figura 2.24.

Figura 2.24Circuito del Filtro pasa banda con ganancia de 6

Al conectar los pines del voltaje de referencia negativo de los comparadores a

tierra, desaparece la parte negativa de la señal que entregan los sensores PIR.

De tal forma que, a partir de esta etapa, se trabaja solo con la parte positiva de las

señales, como se observa en la figura 2.25.

La señal de color rojo de la figura 2.25 es la señal original, la señal de color azul

es la señal de salida de la primera etapa de amplificación y la de color amarillo es

la señal de salida de la segunda etapa de amplificación.

54

Figura 2.25 Diagrama de la señal original y sus respectivas amplificaciones

El filtro pasa-banda de la figura 2.26 eliminará las señales de ruido con

frecuencias fuera de las del rango de operación del sensor.

Figura. 2.26 Diagrama de Bode del filtro Pasa banda a 1Hz

55

La señal amplificada consiste en un voltaje de tipo AC, sobrepuesto en un voltaje

DC denominado offset (voltaje presente en la salida de un amplificador aun

cuando los voltajes de las dos entradas son cero. Este efecto es causado por el

ruido que el circuito integrado amplifica y presenta a la salida del mismo)38. El

offset DC puede ser fijado como un nivel de referencia para la amplitud positiva,

como se muestra en la figura 2.27.

Figura. 2.27 Señal que ingresa al comparador fijado en un DC offset.

El nivel offset debe ser lo suficientemente bajo, para obtener el máximo rango de

detección y al mismo tiempo, debe ser lo suficientemente alto, tal que sobrepase

todas las perturbaciones externas; por ejemplo, uno de los factores básicos es el

ruido inherente al sensor. La siguiente perturbación importante que se presenta es

el viento en el haz de cobertura del sensor.

2.2.3 LENTES DE FRESNEL

Los sensores PIR por su propia cuenta, no podrían detectar la presencia y

movimiento de una persona que esté más lejos de 60cm del contador. Para dar

mayor alcance a los sensores, se utiliza un arreglo de lentes de Fresnel; que

permite tener un haz de cobertura más directivo. Los lentes de Fresnel también

permiten ajustar el haz de los sensores para adecuarlos según la aplicación a

utilizarlos; por ejemplo, para detectar una persona a la vez es necesario que el

haz de cobertura de los sensores sea muy directivo.

38 http://www.ctr.unican.es/asignaturas/instrumentacion_5_IT/IEC_2.pdf

56

El haz de un sensor PIR es cónico (figura 2.28 a) y abarca todo el diámetro

posible, teniendo un gran campo de cobertura que no se puede controlar

fácilmente; ya que está expuesto a censar personas que estén circundando el

lugar a pesar de no haber atravesado el haz de cobertura del sensor PIR,

incrementándose de manera significante la probabilidad de error.

Con los lentes de Fresnel, el haz se reduce notablemente y la efectividad de las

mediciones realizadas mejora en una proporción directa a la directividad del haz,

como se muestra en la Figura. 2.28 (b).

Figura. 2.28: (a) Haz del sensor PIR sin los lentes de Fresnel. (b) Haz del

sensor PIR acoplado a un lente de Fresnel

En este Proyecto, se necesita un arreglo de lentes de Fresnel (figura 2.29) de

aproximadamente las siguientes dimensiones:

57

Figura 2.29 Lente de Fresnel Plana39

Tamaño del Lente de Fresnel: 46mm x 25mm

Grosor: 0.4mm

Longitud focal: 14mm

Transmisión infrarroja: 8 – 12 micras

Número de lentes: 31

Distancia de detección: 12m

Ángulo de visión: 180 grados de forma plana

Con las dimensiones antes mencionadas, se pretende cubrir la totalidad del

espacio ocupado por los sensores PIR en la placa del circuito. Pueden existir

variaciones en el tamaño del lente, dependiendo de las pruebas que se vayan

realizando.

2.2.4 MÓDULO ULTRASÓNICO

Este módulo consta de un par de sensores ultrasónicos, un receptor y un

transmisor, encargados de verificar el correcto funcionamiento del contador,

indicando si existen anomalías que pretendan hacer pasar datos erróneos como

válidos. Estas anomalías pueden darse cuando exista algún obstáculo que impida

al contador funcionar correctamente; es decir, cuando algo o alguien este 39 http://www.3dlens.com/shop/proddetail.php?prod=%235076

58

obstruyendo a los sensores PIR, el contador a través de los sensores ultrasónicos

da un aviso de alerta. La distancia tomada como referencia para decidir si los

sensores están siendo obstruidos o no, es de 10 cm.

Inmediatamente se tenga un aviso de alerta, el administrador del prototipo

verificará la posible obstrucción del contador de personas para la solución

inmediata o posible reparación del contador.

El módulo ultrasónico comprende una parte del sistema de seguridad del

contador, al verificar si alguna clase de intruso está bloqueando los sensores PIR.

Entre las diferentes alternativas de estos sensores, se muestran los siguientes:

a) Sensor Ultrasónico US1240


· Salida = TTL

· Tensión de alimentación = 5 V

· Rango de medidas = hasta 12 m

· Frecuencia = 40 KHz.

· Tamaño = 12 mm. de diámetro x 10 mm. Alto

En la figura 2.30 se indica el sensor de ultrasonido US1240

Figura 2.30 Sensor Ultrasónico US124040

40 http://futurlec.com/Ultrasonic_Sensors.shtml

59

b) Sensor Ultrasónico a Prueba de Agua


· Salida = TTL

· Tensión de alimentación = 5 V

· Rango de medidas = hasta 18 m

· Frecuencia = 40 KHz.

· Tamaño = 16 mm. de diámetro x 12 mm. Alto

En la figura 2.31 se indica el sensor antes mencionado:

Figura 2.31 Sensor Ultrasónico a Prueba de Agua41

Para el presente proyecto, se usa el par de sensores de ultrasonido US1240

gracias a su facilidad de conseguirlo localmente; además, presenta características

que se acoplan al proyecto.

En la figura 2.32 se muestran las dimensiones del Sensor Ultrasónico US1240:

Figura 2.32 Dimensiones del sensor Ultrasónico

41 http://futurlec.com/Ultrasonic_Sensors.shtml

60

El sensor a ser utilizado tiene 12 mm de diámetro y 15mm de altura incluyendo los

pines. Debido a sus reducidas dimensiones, se hace muy adecuado para su uso

en el contador de personas.

Está cubierto por una carcasa compacta, que le protege contra golpes o

torceduras.

Las especificaciones esenciales del sensor ultrasónico US1240 se muestran en la

tabla 2.2:

PARÁMETRO CONDICIÓN TÉCNICA

Frecuencia de Trabajo 40kHz ± 1.0kHz

Capacitancia 2000pF ± 20%

Nivel de Intensidad de Sonido

en el Transmisor

112dB / 40 ± 1.0kHz

Ancho de Banda del Transmisor 5.0kHz / 100dB

Sensibilidad del Receptor 67dB / 40 ± 1.0kHz

Ancho de Banda del Receptor 5.0kHz / -75Db

Resistencia 3.9KΩ

Tensión de Alimentación 5 Vcc.

Temperatura de Operación -30°C a 85 °C

Tabla 2.2 Parámetros Técnicos del sensor Ultrasónico42

El sensor ultrasónico transmisor, envía una ráfaga de pulsos establecidos a una

frecuencia de oscilación de 40kHz, donde se cumple que, la longitud de onda es

8.5mm (calculados de la siguiente relación: ג = c / f), donde c es la velocidad del

42 http://robokits.co.in/shop/index.php?main_page=product_info&products_id=100

61

sonido en el aire 343m/s, y f la frecuencia de operación. La ráfaga de pulsos al

chocar en una superficie, se refleja hacia el receptor.

El receptor ultrasónico, recepta la reflexión de la ráfaga enviada por el transmisor

para transformarla en señales eléctricas, cuya intensidad varía de acuerdo a la

distancia; así, entre más cerca de la placa este el objeto a censar, la intensidad

será mayor y viceversa.

Las señales resultantes del receptor ultrasónico son de una amplitud muy

pequeña y necesitan ser amplificadas.

Se presentan dos etapas de amplificación, acoplados en serie. Además, un filtro

pasa-banda es indispensable para eliminar las interferencias. Como resultado de

la etapa de amplificación con el filtro se tiene una señal semejante a una señal

AM. Posteriormente, esta señal ingresa al ADC del microcontrolador para

procesarla y mediante programación determinar si algún objeto está a menos de

10cm del contador.

En la figura 2.33 se muestra el diagrama de bloques para esta parte del prototipo

contador de personas, usando los sensores de ultrasonido:

Figura 2.33 Diagrama de bloques utilizando sensores de ultrasonido

Filtro Pasa-banda Activo.- Un filtro pasa banda se lo forma para este caso con

un filtro pasa bajos seguido de un filtro pasa altos.

El filtro pasa-banda activo cumplirá dos funciones: filtrar la señal con una

frecuencia central de 40KHz y amplificar hasta obtener una señal de mínimo V =

2.7 VAC.

Se va a utilizar un amplificador operacional LM324AD, configurado como un

amplificador no inversor.

62

Mediante pruebas realizadas en el laboratorio, la señal de salida del receptor

ultrasónico es de 43mV, medidos cuando un objeto está obstruyendo a los

sensores a una distancia aproximada de 10cm. Se calcula a continuación la

ganancia que debería tener para llegar a los 2.7 voltios requeridos.

Se debe configurar un filtro pasa banda con el objetivo de eliminar ruido o señales

que estén fuera del rango de frecuencia de operación de los sensores. La

frecuencia central a la que opera este dispositivo es de 40kHz; por lo tanto, se ha

fijado como umbrales del filtro pasa banda 37KHz y 43KHz.

Filtro Pasa altos ( ) con Ganancia G=10

De acuerdo a la fórmula (ec.2.2) que define la frecuencia de corte en un filtro se

puede calcular los valores de resistencias y capacitores necesarios.

Para este caso en particular en la simulación se tienen resultados incoherentes a

los esperados, es por esta razón, que se estabiliza la polarización del operacional

LM324AD, con el uso de dos resistencias de igual valor en cada entrada del

63

operacional, que para corriente alterna estarán en paralelo; dando como resultado

tener la misma caída de voltaje en las entradas y salida del operacional.

Los cálculos para la frecuencia de corte y la ganancia se realizan siguiendo las

mismas fórmulas (ec.2.2 y ec2.3) que se utilizan para el PIR, pero tomando en

cuenta el paralelo de estas resistencias.

64

En la figura 2.34 se muestra el circuito del filtro pasa altos con ganancia de 10 y

su respectiva simulación.

Figura 2.34. Filtro Pasa altos con ganancia 10 para la señal del sensor Ultrasónico

65

En la figura 2.35 se muestra el diagrama de bode del filtro pasa altos para la señal

del sensor Ultrasónico, con frecuencia de corte de 30Khz.

Figura 2.35. Diagrama de Bode del Filtro Pasa altos para la señal del sensor

Ultrasónico

Filtro Pasa-bajos ( ) con Ganancia G=7

Las señales de salida de esta etapa ingresarán al ADC del microcontrolador para

ser procesarlas.

De igual forma se procede al cálculo con las fórmulas que definen la frecuencia de

corte y la ganancia.

66

Como las resistencias están en paralelo con la resistencia del capacitor

se debe cumplir que la impedancia del capacitor debe ser mucho menor que el

paralelo de estas resistencias , para que no afecte al funcionamiento

del filtro.

Para una ganancia de 7 se tiene:

67

En la figura 2.36 se muestra el circuito del filtro pasa bajos con ganancia de 7

para las señales del sensor de ultrasonido con su respectiva simulación.

Figura 2.36. Filtro Pasa bajos con ganancia 7 para la señal del sensor Ultrasónico

Con fines prácticos se reemplaza la R11 del circuito de la figura 2.36 por un

potenciómetro de 1MΩ, para poder variar el nivel de ganancia de la señal de

68

salida y establecer una referencia de comparación proporcional a una distancia de

10cm, ya que en la práctica se pueden presentar variaciones.

En la figura 2.37 se muestra el diagrama de bode del filtro pasa bajos para la

señal del sensor Ultrasónico, con frecuencia de corte de 48.2Khz.

Figura 2.37 Diagrama de Bode del Filtro Pasa bajos para la señal del sensor

Ultrasónico

Uniendo los dos filtros con sus respectivas ganancias se obtiene un filtro pasa

banda con una ganancia total de 70 veces, como se indica en la figura 2.38

Figura 2.38. Filtro Activo Pasa banda a 40Khz

69

2.2.5 MICROCONTROLADOR ATMEGA 324P

El microcontrolador es el componente principal del sistema, debido a que todo

funciona bajo el control del mismo.

Las señales resultantes de los módulos PIR y Ultrasónico ingresan al

microcontrolador ATmega 324P, para ser procesadas digitalmente. Se decidió

usar este microcontrolador por contar con las características necesarias para el

presente proyecto y por la facilidad de conseguirlo localmente.

Se requiere conocer las siguientes especificaciones del microcontrolador para

poder utilizarlo en conjunto con el firmware del contador.

Como se muestra en la figura 2.39, el tamaño del microcontrolador lo hace

perfecto para aplicaciones en tarjetas compactas, como la del contador de

personas, que necesariamente, debe ser pequeña y manejable para que se

pueda colocar en cualquier parte de las puertas donde se va a censar.

Figura 2.39 Dimensiones del microcontrolador ATmega 324P43

43 http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/8011S.pdf

70

Las Especificaciones Técnicas del ATMEGA324P44 son:

· Alto rendimiento.

· 32 K bytes de memoria Flash programable.

· 1 Kbyte de memoria EEPROM.

· 2 Kbyte de memoria RAM.

· Dos temporizadores/contadores de 8 bits

· Un temporizador/contador de 16 bits

· Convertidor Análogo-Digital (ADC) de 10 bits

· Fuentes de interrupción internas y externas.

En la figura 2.40 se muestra la distribución de pines de este microcontrolador.

Figura 2.40 Distribución de pines del microcontrolador ATmega 324P45


71

Descripción: se describen los pines a utilizarse en este Proyecto, todas las

especificaciones técnicas del microcontrolador ATmega 324P se encuentran en el

ANEXO B.

VCC: Voltaje Digital de Alimentación.

GND: Tierra.

Puerto A (PA7:PA0): Entradas analógicas al convertidor análogo-digital de 10

bits, los cuales sirven directamente para la conversión de una variable analógica.

Si no se utiliza el ADC, el puerto A puede servir como un puerto bidireccional de 8

bits de entrada/salida de datos.

Puerto B (PB7:PB0): Puerto bidireccional de 8 bits de entrada/salida de datos.

Este puerto tiene otras funciones alternativas, como las especificadas en la tabla

2.3:

PIN FUNCIÓN ALTERNATIVA

PB3

AIN1 (Analog Comparator Negative Input)

OC0A (Timer/Conter 0 Output Compare Match A Output)

PCINT11 (Pin Change Interrupt 11)

PB2

AIN0 (Analog Comparator Positive Input)

INT2 (External Interrupt 2 Input)


PB0

T0 (Timer/Counter 0 External Counter Input)

XCK0 (USART0 External Clock Input/Output)


Tabla 2.3 Funciones alternativas de los pines del puerto B

Puerto C (PC7:PC0): Puerto bidireccional de 8 bits de entrada/salida de datos.

Este puerto también realiza las funciones de la interfaz JTAG, que es utilizada 45 http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/8011S.pdf

72

para la depuración de aplicaciones empotradas, lo que permite corregir errores de

código y lógica del sistema; estas funciones alternativas de los pines se muestran

en la tabla 2.4:


PC5 TDI (JTAG Test Data Input)


PC4 TDO (JTAG Test Data Output)


PC3 TMS (JTAG Test Mode Select)


PC2 TCK (JTAG Test Clock)


PC1 SDA (2-wire Serial Bus Data Input/Output Line)


PC0 SCL (2-wire Serial Bus Clock Line)


Tabla 2.4 Funciones alternativas de los pines del puerto C

Puerto D (PD7:PD0): Puerto bidireccional de 8 bits de entrada/salida de datos.

Este puerto tiene otras funciones alternativas como las mostradas en la tabla 2.5:


PD4 OC1B (Timer/Counter1 Output Compare Match B Output)

XCK1 (USART1 External Clock Input/Output)


PD3 INT1 (External Interrupt1 Input)

TXD1 (USART1 Transmit Pin)

73


PD2 INT0 (External Interrupt0 Input)

RXD1 (USART1 Receive Pin)


Tabla 2.5 Funciones alternativas de los pines del puerto D

RESET: Un nivel bajo de tensión en este pin, de mayor longitud que un pulso,

genera un reset, incluso si el reloj no se está ejecutando. Los pulsos cortos no son

garantía de que se genere un reset. Según el fabricante, el tiempo mínimo del

pulso para que se genere un reset es 2.5µs.

XTAL1: Entrada al amplificador de oscilador inversor y entrada al circuito de

operación de reloj interno.

XTAL2: Salida desde el amplificador oscilador inversor.

AVCC: Pin destinado al voltaje de alimentación para el puerto A y para el

conversor A/D. Cuando se usa el ADC el pin debe conectarse a VCC a través de

un filtro pasa bajos.

AREF: Es la referencia analógica para el conversor A/D.

Dentro de las principales conexiones del microcontrolador se tiene: la

alimentación (VCC y GND), el reset (RESET), el oscilador (XTAL1 y XTAL2) y el

programador (PB5, PB6, PB7).

El circuito para el oscilador es el recomendado por el fabricante en el datasheet

del microcontrolador en la página 32.46


74

En la figura 2.41 se muestra la configuración del oscilador.

Figura 2.41 Circuito para el oscilador del microcontrolador

Los pines adicionales utilizados son:

PB0.- se envía hacia el trasmisor ultrasónico una ráfaga de pulsos para que este

sea activado.

PB3.- ingresa la señal del pulsador de la puerta, dependiendo si está abierta o

cerrada.

PD0 y PD1.- mediante estos pines se establece la comunicación, recepción y

transmisión con el MAX232.

PD2.- ingresa la señal del módulo PIR1 al microcontrolador.

PD3.- ingresa la señal del módulo PIR2 al microcontrolador.

PD4.- pin que activa al buzzer o zumbador, cuando se requiere dar un sonido de

alarma al administrador del contador de personas.

PA4.- ingresa la señal resultante del módulo ultrasónico al ADC del

microcontrolador.

Los pines del puerto D.- utilizados para la transmisión y recepción de datos al

LCD, con la configuración necesaria.

AREF.- pin conectado a Vcc, que servirá como voltaje de referencia al ADC del

microcontrolador.

75

En la figura 2.42 se indica la asignación de los pines del microcontrolador de

acuerdo al diseño del prototipo:

Figura 2.42 Asignación de pines del microcontrolador

2.2.6 COMUNICACIONES

Para la comunicación serial se utiliza un MAX232A encargado de convertir el nivel

de la señal TTL (propia del microcontrolador) al nivel RS232 (propia del

computador) y viceversa. Es decir, funciona como una interfaz entre el circuito del

contador de personas y la interfaz gráfica del usuario instalado en el computador.

Esta comunicación utiliza los pines de Transmisión (TX), Recepción (RX) y Tierra

(GND). En la figura 2.43 se muestra la distribución de pines del MAX232.

76

Figura. 2.43 Distribución de Pines del MAX232A47

El circuito para la configuración del MAX232A es el recomendado por el fabricante

en el datasheet del MAX232A en la página 17.48

En la figura 2.44 se indica la asignación de los pines del MAX232A de acuerdo al

circuito de operación típico.

Figura 2.44 Circuito de operación típico del MAX232A

47http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX220-MAX249.pdf

48 http://pdfserv.maxim-ic.com/en/ds/MAX220-MAX249.pdf

77

Además del MAX232A, se necesita un cable Null-MODEM, el cual va a ayudar a

realizar la comunicación serial entre el microcontrolador y una PC. Este cable está

conformado en sus extremos por conectores denominados DB9.

En la Figura. 2.45 se muestra el conector DB9 hembra y macho.

En la tabla 2.6 se indica la distribución de pines de estos conectores; útil para la

construcción del cable Null-MODEM. Es suficiente utilizar 3 pines para la

comunicación: recepción (pin2), transmisión (pin3), y tierra (pin 5).

Figura. 2.45 Conector DB9 Tabla 2.6 Distribución de pines del conector DB9

2.2.7 DISPLAY

El display de cristal líquido LCD es el encargado de mostrar la información

proveniente del microcontrolador, la cual desplegará el número de personas que

ingresan, salen y/o permanecen en el lugar censado.

Para la interconexión entre el display y el microcontrolador, se requiere conocer la

asignación de pines del display (tabla 2.7) y la ubicación física de los pines en el

display (figura 2.46):

No. Símbolo Función No. Símbolo Función

1 VSS Tierra 9 DB2 Bit de datos 2

2 VDD Alimentación 10 DB3 Bit de datos 3

78

3 VO

Voltaje de ajuste de

contraste 11 DB4 Bit de datos 4

4 RS Selección de registro 12 DB5 Bit de datos 5

5 R/W Lectura/escritura 13 DB6 Bit de datos 6

6 E Enable 14 DB7 Bit de datos 7

7 DB0 Bit de datos 0 15 A Poder del LED

8 DB1 Bit de datos 1 16 K Poder del LED

Tabla 2.7 Asignación de Pines del LCD49

Figura 2.46 Display de Cristal Líquido LCD50

La alimentación del display es de 5V DC.

Los datos se transmiten por un bus de datos de 8 bits (DB0-DB7). Adicional, tres

bits son indispensables para el control del display: el primer bit está designado a

la señal de enable (ENA) donde se permite o deniega su funcionamiento, el

segundo bit sirve para indicar si la comunicación en curso está en modo de

lectura o escritura (R/W) y el último bit sirve para seleccionar uno de los dos

registros internos (RS).


50http://electrolabo.com/images/displayLCD.jpg

79

En la hoja de datos del display, el fabricante recomienda utilizar los siguientes

circuitos para el correcto funcionamiento y control del display:

Un circuito para poder ajustar el contraste del LCD, que está conformado por un

potenciómetro utilizado como un divisor de tensión entre 0 y 5 voltios, como se

muestra en la figura 2.47; el valor típico es de 0.6 V51. El voltaje del divisor de

tensión ingresa al pin 3 del LCD.

Figura 2.47 Voltaje de ajuste de Contraste

2.2.8 SWITCH PARA LA PUERTA

Se tiene un circuito (figura 2.48) que se activa con 0V. Su funcionamiento es el

siguiente: mientras la puerta donde está ubicado el contador de personas se

encuentra abierta va a estar enviando un voltaje hacia el pin 43 del

microcontrolador, caso contrario, cuando la puerta se cierra, el voltaje que se

envía es 0; mediante programación se establecerá que siga o deje el censado de

personas, depende cual sea el caso.

Figura 2.48 Circuito para censar la puerta

51 http://electrolabo.com/images/displayLCD.jpg

80

2.2.9 LED

Como aspecto práctico se diseña un circuito básico (voltaje de alimentación con

una resistencia) para el funcionamiento del LED, el cual indicará si la placa está

correctamente polarizada, el circuito se muestra en la figura 2.49

Figura 2.49 Circuito para el LED

2.2.10 ZUMBADOR

Este elemento va a ser el encargado de emitir la señal de alarma, con un sonido

alargado, cuando exista un bloqueo en los sensores, se activa desde el

microcontrolador, dependiendo de su programación.

Figura 2.50 Circuito del zumbador

2.3 FIRMWARE

El firmware, es un programa almacenado en una memoria y establece la lógica de

más bajo nivel que controla los circuitos electrónicos de un dispositivo. El

firmware, al estar integrado en la electrónica del dispositivo es en parte hardware,

pero también es software, ya que proporciona lógica y está escrito en algún tipo

de lenguaje de programación.

Para el presente Proyecto, el firmware es la programación hecha en el

microcontrolador para interactuar con los sensores. El mencionado programa fue

escrito en BASCOM AVR.

BASCOM AVR es una herramienta computacional, desarrollada por la empresa

MCS Electronics, que permite programar de manera básica y estructurada toda

81

clase de microcontroladores AVR de la familia ATMEL. BASCOM AVR posee un

compilador y un ensamblador que traduce las instrucciones estructuradas en

lenguaje de máquina.

Es una herramienta muy práctica de usar; cuenta con una biblioteca de ayuda

donde el usuario puede consultar acerca del uso y/o manejo de sentencias a

través de ejemplos sencillos y comprensibles. De esta manera, los usuarios

pueden realizar sus programas, compilarlos, realizar pruebas de ejecución,

corregir errores y transferir el programa al microcontrolador.

En la figura 2.51 se puede observar el entorno de trabajo de BASCOM AVR, en la

pantalla inicial se tiene la barra de herramientas, la barra de menú y el área de

trabajo:

Figura. 2.51 Entorno Gráfico de BASCOM AVR

82

En la figura 2.52, se presenta el diagrama de flujo del programa que se va a

implementar en el micro, para que el prototipo pueda funcionar:

Inicio

Habilitar lasInterrupciones

Configurar puertosde entrada y

salida

Tiempo de Espera

Ultrasónico

INT 0INT 1

fin

Figura 2.52 Diagrama de flujo del firmware

En el diagrama de flujo del programa existe un tiempo de espera, que se refiere al

tiempo que los elementos electrónicos necesitan para empezar a funcionar;

específicamente, los sensores PIR necesitan un tiempo de espera de 20 a 90

segundos.

83

Al momento de habilitar las interrupciones, el programa está sujeto a la

interrupción que pueda sufrir por parte de las sentencias programadas en INT0

(posible ingreso de una persona) o INT1 (posible salida de una persona). Si el

programa no es interrumpido por causa de INT0 o INT1, seguirá normalmente con

el bloque de sentencias del sensor ultrasónico.

En el bloque de sentencias del ultrasónico, el microcontrolador a través del

firmware, genera una ráfaga de pulsos para el emisor ultrasónico a la frecuencia

sugerida por el fabricante de 40KHZ.

Además, el microcontrolador recepta en su ADC interno los pulsos recibidos del

receptor ultrasónico después de pasar por las dos etapas de amplificación y

filtrado. El ADC a través del firmware, compara el voltaje recibido (relacionado con

la distancia a la que se encuentra el objeto o persona que permitió el rebote de la

señal) con el voltaje de referencia fijado en el pin 29 del microcontrolador; el ADC

da como resultado un número entre 0 y 1023 que equivale a 0 y 5 V

respectivamente.

Este resultado se compara con el número 490, configurado mediante

programación en el firmware, equivalente aproximadamente a 2.5 V, intensidad

proporcional a 10 cm de distancia entre el sensor y un objeto cualquiera. El

resultado de la precedente comparación determina la activación o desactivación

de la alarma auditiva.

Al momento de activación de la alarma auditiva, se interrumpe el funcionamiento

del transmisor ultrasónico por 5 segundos, después de los cuales, se vuelve a

medir la distancia del obstáculo para detectar si el sensor sigue siendo

obstaculizado o no.

Todo el bloque de sentencias del ultrasónico antes descrito, se lo puede entender

a través del diagrama de bloques mostrado en la figura 2.53:

84

Genera una ráfagade 40KHz para el

transmisorultrasónico

Lee el valor resultantede las etapas deamplificación del

ultrasonido receptor conel ADC

Supera el voltajeestablecido

W>2.5V

no

Tiempo de esperasuperadoT>180seg

no

Deshabilita lasinterrupciones

si

Ultrasónico

habilita lasinterrupciones

si

Activaciónde la

Alarma

Figura. 2.53 Diagrama de Flujo para el Ultrasónico

85

Al momento que se detecta el paso de una persona, dependiendo de la dirección

con la que cruce el haz del sensor, se activa los sensores PIR en forma

secuencial; y por consiguiente, se activan las interrupciones correspondientes

para ser procesadas por el microcontrolador.

Dependiendo de cuál de los sensores PIR detecte primero a la persona, se

habilitará la interrupción correspondiente; así, si el PIR1 es activado primero, la

INT0 será procesada por el microcontrolador, o por el contrario si el PIR2 es

activado primero, la INT1 será procesada por el microcontrolador.

En la programación de las interrupciones, se representa al PIR 1 con la variable

Ba y al PIR 2 con la variable Bb. Para el caso concreto de ingreso de personas

(INT0), el programa verifica que se active la variable Ba, después la variable Bb y

si la puerta está abierta genera un dato valido de conteo, como se muestra en el

diagrama de la figura 2.54. Si una persona sale, se activara primero la variable Bb

y después la Ba como se muestra en el diagrama de la figura 2.55.

Cada vez que se genera un dato valido para el conteo, el zumbador emitirá un

sonido de corta duración; además, desde el microcontrolador se envía las

siguientes tramas a través de comunicación serial:

Si entran: “PCP:IN0:M!”

Si salen: “PCP:OUT:Q!”

La interfaz gráfica se encargará de leer constantemente los datos del puerto serial

e identificar y validar la trama, para generar los datos de ingreso o salida de

personas.

86

INT0

Deshabilita laINT0

Ba=1

Bb=1

Puerta Abierta

Entran = Entran+1

Ba=0Bb=0

Habilita laInterrupción INT0

si

si

si

FIN

no

no

no

SonidoEntran

Envío deTrama de

Entran

Figura. 2.54 Diagrama de Flujo del Ingreso de Personas

87

INT1

Deshabilitala INT1

Bb=1

Ba=1

Puerta Abierta

Salen = Sallen+1

Ba=0Bb=0

Habilita lainterrupción INT1

si

si

si

FIN

no

no

SonidoSalen

Envío detrama de

Salen

Figura. 2.55 Diagrama de Flujo de la Salida de Personas

88

2.4 SOFTWARE

El software del prototipo contador de personas está conformado por un programa

escrito en Visual Basic.Net.

Los datos que se envían desde la placa del contador hacia el computador, se lo

hace mediante comunicación serial a través de un cable adaptador de DB9 a

USB, para ser visualizados en una interfaz gráfica programada en Visual

Basic.Net. Este software ofrece la posibilidad para el administrador de gestionar y

monitorear el contador de personas, con el uso de una clave de autorización;

además, podrá realizar modificaciones en el momento mismo de operación del

contador. Por ejemplo, el administrador puede reiniciar el sistema, adquirir la

cantidad total de personas que ingresan a un espacio cerrado en un instante de

tiempo determinado, etc.

La interfaz gráfica entregará datos instantáneos de la cantidad de personas que

ingresaron, salieron y se encuentran dentro del lugar donde está instalado el

contador, desde la última vez que fue reiniciado.

El software permite al administrador pedir un reporte completo de los datos que

almacena el contador de personas entre dos fechas y horas fijas, datos que

estarán almacenados en un archivo de texto. Se necesita una clave de ingreso

para esta opción, que contribuye con la seguridad y administración del prototipo.

Para una visualización directa hacia el consumidor de este prototipo se ha

diseñado una salida de datos directa a un display de cristal líquido LCD, que

desplegará el número instantáneo de personas que ingresan y que salen del lugar

censado.

2.4.1 VISUAL BASIC.NET

Visual Basic es un lenguaje de programación para la creación de software de alto

nivel52, desarrollado para Microsoft. Fue creado con la intensión de simplificar la

programación utilizando un ambiente de desarrollo completamente gráfico, para

52 Lenguaje de alto nivel: entendible por el ser humano.

89

facilitar la creación de interfaces gráficas. Desde el 2001 Microsoft trabaja con un

marco común de librerías independientes de la versión del sistema operativo, NET

Framework, así todos los lenguajes que lo utilizan tienen compatibilidad e

interoperabilidad.

Visual Basic ha sido empaquetado como un programa de aplicación es decir,

consiste en un editor de código, un depurador, un compilador y un constructor de

interfaz gráfica GUI.

· Editor de Código: es el programa donde se edita el código fuente.

· Depurador: programa especializado para corrección y eliminación de

errores en un código fuente durante su edición, o capturando diversos

datos durante su ejecución.

· Compilador: programa que se encarga de traducir el código fuente de los

programas escritos en lenguaje de alto nivel, a un lenguaje de bajo nivel

que es comprensible y ejecutado por la computadora.

· GUI (Graphic User Interface o Interfaz Gráfica de usuario): es un conjunto

de formas y métodos que posibilitan la programación sin necesidad de

escribir el código, utilizando formas gráficas e imágenes.

Microsoft Visual Basic 2005 es una evolución del lenguaje Visual Basic, diseñado

para generar aplicaciones orientadas a objetos, con seguridad de tipos e incluye

nuevas características para el desarrollo rápido de aplicaciones.

2.4.1.1 Visualización Gráfica del Prototipo Contador de Personas

La interfaz gráfica presentada al programador se muestra en la figura 2.56, en

donde se ingresa el código fuente, se depura y por último de compila.

90

Figura. 2.56 Interfáz para el programador

El prototipo contador de personas está hecho con dos formularios: el primero

muestra la presentación del prototipo y el segundo los datos tomados por el

contador.

2.4.1.2 Diagrama de Flujo

La interfaz gráfica del contador de personas se basa en la información tomada

desde el microcontrolador, si la cadena de bytes se autentifica, entonces se dará

por entendido como un dato válido.

En la figura 2.57 se muestra el diagrama de bloques del programa general

ensamblado en Visual Basic .net para la administración del prototipo contador de

personas:

91

Inicio

Puerto SerialAbierto

b=trama de iniciode entrada

b=trama de iniciode salida

Entran = Entran +1 Salen = Salen +1Total instantáneo=

Entran -Salen

Existe el archivode datos

Se crea el archivode datos en la

direcciónespecificada

Almacene:i: Número depersonas=1

Fecha y hora deingreso

Total instantáneo< 0

Msj: “En el Momento de iniciar el conteo ya

se encontrabanpersonas dentro del

lugar”

si

no

sisi

no

Toma dedatos

Reset

no

si Entran = 0Salen = 0

Total instantáneo = 0

TotalInstantáneo

Entran

Salen

no

Lee latrama y sealmacena

en b

no

Figura. 2.57 Diagrama de flujo general para la Interfaz Gráfica

92

Existe la posibilidad de obtener el total de personas que ingresaron en un cierto

lapso de tiempo; para lo cual, el usuario ingresa las fechas y horas del lapso de

tiempo requerido.

En la figura 2.58 se muestra el diagrama de flujo del programa, si el usuario elije

la opción antes descrita:

Botón Total

Total = 0

Búsqueda de datosen el archivo de

acuerdo a las fechasingresadas

Total

Fechas Válidas

Msj: “No existen datos

para las fechasingresadas”

Total = Σi

si

si

X = Fecha yhora inicial

Y = Fecha yhora final

ΣiDesde i =xHasta i = y

Total

Fin

no

Figura. 2.58 Diagrama de Flujo del Total en un Lapso de Tiempo

93

Para poder reiniciar el sistema, se requiere de una clave de autorización y un

nombre de usuario. Una vez autentificado el usuario, los valores de entrada,

salida y total instantáneo se establecen en el valor de cero, como se muestra en

el diagrama de bloques de la figura 2.59:

Reset

Nombre de usuarioy contraseña

válidos

Entran = 0Salen = 0Total = 0

Msj : “Nombre de Usuario y/ocontraseña no

válidos”

Reset

Ingreso deNombre deusuario y

Contraseña

si

no

Figura. 2.59 Diagrama de Flujo del Reinicio del Sistema

94

3 CAPÍTULO 3: CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO Y

RESULTADOS DE LABORATORIO

3.1 INTRODUCCIÓN

En este capítulo, se presentan los diagramas eléctricos, necesarios para la

construcción del prototipo, el montaje mecánico de la placa en la caja, las pruebas

realizadas en laboratorio y las pruebas en el campo.

En las pruebas realizadas los resultados ayudan a establecer y/o cambiar el

diagrama original hasta encontrar un resultado satisfactorio.

3.2 CONSTRUCCIÓN DEL HARDWARE

Se requiere de una caja contenedora para poder ubicar las placas del circuito

impreso del contador de personas. En el mercado se ofrecen dos tipos de cajas:

de aluminio y de plástico.

Cajas de aluminio.- presentan buenas características mecánicas, climáticas y

ambientales. Para usarlas en ambientes agresivo. Un ejemplo de este tipo de

cajas de aluminio se muestra en la figura 3.1:

Figura 3.1 Modelo de caja de aluminio53

53 http://www.radioshack.com/product/index.jsp?productId=2062217

95

Cajas de plástico.- son fabricadas de un material termoplástico exento de

halógenos, anti choque y auto extinguibles. Sirven para usarlas en instalaciones

eléctricas o para contener diferentes circuitos electrónicos. Un ejemplo de estas

cajas de plástico se muestra en la figura 3.2:

Figura 3.2 Modelo de caja de plástico

Se ha optado por utilizar una caja de plástico, por la facilidad que presenta para

mecanizarla y para evitar cualquier posible interferencia con las ondas de los

sensores o cortocircuito en la placa.

Existen tamaños estándares de este tipo de cajas, entre otros54:

· Caja para proyecto (3x2x1") (7.6x5x2.5cm)

· Caja para proyecto (4x2x1") (10.16x5.08x2.54cm)

· Caja para proyecto (5x2.5x2") (12.7x6.4x5cm)


54http://www.radioshack.com/search/index.jsp?kwCatId=&kw=project%20box&origkw=project%20b

ox&sr=1

96




Se cree conveniente utilizar para este proyecto, una caja de plástico de

dimensiones: 15.24 cm x 10.16 cm x 5.08 cm., como se muestra en la figura 3.3:

Figura 3.3 Dimensiones de la caja contenedora del Contador de Personas

Tomando como referencia las dimensiones de la caja, se elabora el PCB (Printed

circuit board) o placa de circuito impreso del prototipo utilizando el programa

PROTEL DXP 2004.

Un circuito impreso es una placa plástica sobre la cual hay:

· Pistas.- son cada trazo de cobre que tiene la función de un cable que une

uno o más puntos eléctricamente.

· Pads.- son círculos o cuadrados con un orificio central donde el terminal

de un componente es insertado.

97

El circuito general que se ha construido en el PROTEL DXP se muestra en la

figura 3.4, en el cual se presentan todos los circuitos que conforman el hardware

con sus respectivas conexiones. (Se ha dividido en bloques para una fácil

interpretación del esquema):

1. Microcontrolador ATmega

2. Circuitería para los sensores PIR

3. Circuitería para los sensores de ultrasonido

4. Circuitería de alimentación del circuito

5. Conectores para el display de cristal líquido, LCD

6. Interruptor para el reset

7. Interruptor para la puerta

8. Circuitos para la comunicación serial

9. Programador

10. Sócalo de entrada al ADC del microcontrolador

11. Cristal externo

12. Zumbador

98

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En las figuras 3.5 (a) y 3.5 (b) se muestra el trazado de las pistas y los pads, que

se van a transportar a la placa del circuito impreso.

Figura 3.5 (a) Pistas o Layout en la placa del Prototipo (superior)

Figura 3.5 (b) Pistas en la placa del Prototipo (inferior)

100

El grabado de las pistas del PCB en la placa de cobre, se envió a hacer en una

empresa particular.

Las dimensiones del PCB son 126.75 mm de largo, por 91.06 mm de ancho; en la

figura 3.6, se muestra la ubicación de los elementos en la placa, se ha etiquetado

cada elemento con un nombre para poder construir de manera más organizada y

eficiente.

Figura 3.6 Diagrama Esquemático para la placa del Prototipo

El siguiente paso es el montaje de los componentes, comenzando por los de

menor espesor (resistencias, diodos, capacitores, zócalos, etc.). Se debe verificar

que no existan cortocircuitos en el PCB.

En la figura 3.7 se muestra la placa después de haber soldado todos los

elementos:

101

Figura 3.7 Placa del Prototipo Contador de Personas

Con la placa lista, se puede realizar el mecanizado de la caja para el proyecto.

Dos factores son determinantes: la ubicación de los elementos y el diseño que

sea conveniente para la colocación de la caja en cualquier ambiente.

Para el presente proyecto, se necesita perforaciones para los sensores tanto

ultrasónicos como los PIR, para los conectores de la comunicación serial, la

fuente de alimentación y el display.

En la figura 3.8, se muestra las perforaciones realizadas para los dos tipos de

sensores. En lo que se refiere a los sensores de ultrasonido, las perforaciones se

las hizo en forma circular, de un diámetro más grande que de los sensores. Para

los sensores PIR se hizo una perforación rectangular con el objetivo de ubicar el

102

arreglo de lentes de Fresnel que cubran a los dos sensores en su totalidad. Estas

perforaciones se encuentran en la tapa de la caja.

Figura 3.8 Perforaciones para los sensores

En la figura 3.9, se muestra la perforación para el conector DB9 de la

comunicación serial y para la fuente de poder. Debido a la proximidad de estos,

se hizo un solo corte rectangular:

Figura 3.9 Perforación para la fuente y las comunicaciones

Para ubicar el display se añadió un módulo de plástico a la caja; al cual, se le hizo

una perforación rectangular del tamaño de la pantalla del display (figura 3.10):

103

Figura 3.10 Perforación para el Display

En la figura 3.11, se muestra como queda la placa incrustada en la caja, con

todas las perforaciones correspondientes:

Figura 3.11 Montaje de la placa en la caja contenedora

En la figura 3.12 se muestra el display, donde se visualiza en una manera simple

cuantas personas entran y salen.

Figura 3.12 Display de Cristal Líquido como visualizador

104

En la siguiente figura 3.13 se observa las conexiones de la alimentación y de la

comunicación serial.

Figura 3.13 Comunicación serial y fuente de alimentación

Para poder fijar el prototipo en cualquier puerta, se va a utilizar cinta doble faz,

mostrada en la figura 3.14. Esta implementación se la ha adoptado para las

pruebas pertinentes para el presente proyecto. Para la comercialización del

producto, se requerirá de tornillos en la parte inferior de la caja para poder sujetar

al marco de la puerta.

Figura 3.14 Cinta Doble Faz

105

En la figura 3.15 se observa la placa del prototipo desde la parte superior:

Figura 3.15 Vista superior del prototipo Contador de Personas

En la figura 3.16, se muestran los sensores ultrasónicos y el arreglo de lentes de

Fresnel. En la parte interior de los lentes de Fresnel se encuentran los sensores

PIR.

Figura 3.16 Ubicación de los sensores en la caja

106

3.2.1 MONTAJE DEL PROTOTIPO

El prototipo ha sido diseñando para funcionar en puertas de dimensiones de 210

centímetros de largo por 90 centímetros de ancho; cabe recalcar, que estas

medidas son en promedio las más utilizadas en Ecuador. Debido al alcance y la

configuración de los sensores, se debe ubicar el prototipo en la parte superior

central de la puerta. Un ejemplo de cómo ubicarlo se muestra en la figura 3.17:

Figura 3.17 Montaje del Contador

107

Según el fabricante, el haz de cobertura de los sensores PIR tendría una forma

cónica, la cual se trata de ilustrar en la figura 3.18:

Figura 3.18 Montaje del Contador y haz de cobertura

108

3.3 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL HARDWARE DEL

PROTOTIPO EN EL LABORATORIO

Como una introducción para poder entender las señales resultantes del módulo

PIR, se describe el circuito de prueba propuesto por el fabricante, para la

verificación del correcto funcionamiento del sensor. Este circuito se presenta en la

figura 3.19 y está conformado por:

· Cuerpo Negro.- es una fuente de referencia infrarroja, usada para realizar

pruebas a sistemas infrarrojos como el sensor PIR D203S. Este dispositivo

trabaja a una temperatura de 147°C.

· Helicóptero Mecánico (mechanical chopper).- es un dispositivo

mecánico que gracias a su diseño, permite la posibilidad de ajustar la

frecuencia a la que gira sus aspas a conveniencia de quien lo usa, aspas

que interrumpen el haz de luz infrarroja. Para el presente prototipo, oscilará

a una frecuencia de 1Hz, frecuencia de operación óptima del sensor PIR.

· Amplificador.- Es un circuito electrónico, diseñado para amplificar la

diferencia entre las tensiones aplicadas a sus entradas, proporcionando un

voltaje de salida aumentado, que para el presente circuito de prueba

presenta una ganancia de 72.5dB.

Figura. 3.19 Circuito de Prueba del Sensor PIR D203S55


109

Condiciones de prueba:

· Temperatura ambiente: 25 °C

· Temperatura del cuerpo Negro: 420 K (147 °C)

· Amplificador de 72.5 dB

Como se observa, la salida de este circuito será una onda tipo senoidal, ya que

cada vez que se corta el haz de luz infrarroja se genera un periodo de dicha onda.

Para poder analizar el rendimiento del prototipo, se realizaron pruebas tanto en el

laboratorio como en el campo experimental, las cuales se describen a

continuación:

Señales en el Osciloscopio referentes al módulo PIR

En lo que se refiere al módulo PIR, su sensibilidad varía con los potenciómetros

R6 (PIR 1) y R12 (PIR2) del diagrama esquemático del prototipo de la figura 3.4.

En las figuras 3.20 y 3.21 se muestran las señales después de su etapa de

amplificación, tanto del PIR1 como del PIR2, respectivamente.

Estas señales se asemejan a las que el fabricante muestra en el circuito de

prueba del Sensor PIR D203S.

Figura 3.20 Señal de salida del Circuito Amplificador del PIR1

110

Figura 3.21 Señal de salida del Circuito Amplificador del PIR2

En las figuras 3.22 y 3.23 se muestran las señales que se obtiene de cada sensor

PIR en los dos sentidos de paso de las personas. Es en esta etapa, donde se

decide tomar la parte positiva de las señales puesto que, las partes negativas son

muy inestables (como se ilustra en la figura 3.23).

Figura 3.22 Señal de salida del Circuito Amplificador del PIR1 en los dos sentidos

111

Figura 3.23 Señal de salida del Circuito Amplificador del PIR2 en los dos sentidos

En las figuras 3.24 y 3.25 se despliegan las señales digitales que se obtienen

después de los comparadores asignados a cada sensor PIR. Como se puede

notar, las señales a utilizar son lo suficientemente claras para el procesamiento

digital que procede en el microcontrolador.

Figura 3.24 Señal de salida del Comparador del PIR 1

112

Figura 3.25 Señal de salida del Comparador del PIR 2

En las figuras 3.26 y 3.27 se puede verificar que no hay una diferencia

significativa entre los pulsos que representan el sentido de paso de una persona.

Es decir, no se diferencia el sentido de paso de las personas con la forma de la

señal; sino, con el tiempo de aparición de los pulsos en cada sensor PIR. Es por

esta razón, la importancia del firmware en el análisis en el tiempo de las señales.

Figura 3.26 Señal de salida del Comparador del PIR 1 en los dos sentidos

113

Figura 3.27 Señal de salida del Comparador del PIR2 en los dos sentidos

En las figuras 3.28 y 3.29 se muestra las señales de los sensores PIR en la

misma pantalla, para notar la diferencia en tiempo que existe al momento de

activarse los sensores cuando pasa una persona:


en dirección “ENTRAN” después del circuito amplificador

114


en dirección “SALEN” después del circuito amplificador

En las figuras 3.30, 3.31 y 3.32 se muestra las señales digitales del módulo PIR

que ingresan al microcontrolador. Como se puede observar, depende de la

dirección con la que una persona pase por un punto, para que se activen los

sensores en un determinado orden.


en dirección “ENTRAN” después del comparador

115


en dirección “SALEN” después del comparador


en las dos direcciones después del comparador

116

Señales en el Osciloscopio referentes al módulo ultrasónico

Cambios en software del bloque de los Sensores de Ultrasonido.-

• (PRUEBA No. 1) En el osciloscopio no se puede observar las señales que

está generando el receptor ultrasónico, después de recibir la onda reflejada

proveniente del transmisor.

• (PRUEBA No. 2) Se procede a aumentar el número de pulsos que envía el

microcontrolador al transmisor ultrasónico, de 8 pulsos iniciales a 80 pulsos.

El resultado mejora, ya que se puede observar pequeñas señales resultantes del

receptor ultrasónico. El inconveniente se presenta al colocar un objeto que

obstruya la visibilidad de los sensores a 10 cm.

• (PRUEBA No. 3) Nuevamente se cambia el número de pulsos que envía el

microcontrolador al transmisor, esta vez de 80 pulsos iniciales se aumenta a 800;

el resultado es muy satisfactorio, ya que se puede observar una señal claramente

definida cuando existe una obstrucción aproximadamente a los 10 cm.

• (PRUEBA No. 4) La señal resultante de las etapas de amplificación,

cuando existe una obstrucción, es de un voltaje no menor a 1V; lo que obliga a

cambiar el nivel de referencia de comparación fijado en el microcontrolador del

valor de 490 (2.5V) a 250 (1V), para que el ADC del microcontrolador, a través del

firmware, compare estos valores.

• (PRUEBA No. 5) Las señales obtenidas hasta el momento son aceptables

para ser procesadas en el microcontrolador.

En las figuras 3.33 y 3.34 se muestran la señal de excitación que el

microcontrolador envía al sensor de transmisión ultrasónico, necesaria para el

funcionamiento del mismo.

117

Figura 3.33 Señal que envía el microcontrolador al sensor ultrasónico a una

escala en el tiempo de 25 µs (canal 1).

Figura 3.34 Señal que envía el microcontrolador al Sensor Ultrasónico a una

escala en el tiempo de 10 ms.

En la figura 3.35 se muestra en el canal 1 la señal de excitación que se envía al

transmisor ultrasónico y en el canal 2 la señal que el receptor ultrasónico genera

cuando existe un obstáculo a una distancia dentro de los 10 cm.

118

Figura 3.35 Señales resultantes del Sensor Ultrasónico Receptor (canal 2) y

ráfaga de pulsos emitida por el microcontrolador (canal 1)

En la figura 3.36 se muestra en el canal 1 la señal de excitación que se envía al

transmisor ultrasónico y en el canal 2 la señal que el receptor ultrasónico genera

cuando no existe obstáculo a una distancia dentro de los 10 cm.

Figura 3.36 Señales resultantes del Sensor Ultrasónico Receptor cuando no

existe obstáculo (canal 2) y ráfaga de pulsos emitida por el microcontrolador

(canal 1)

119

Se presenta a continuación, la forma en que se realizó las pruebas con el

microcontrolador y los resultados obtenidos.

Pruebas con el microcontrolador del módulo PIR y los Lentes de Fresnel

• (PRUEBA No. 6) Se realizó un programa en BASCOM AVR, con el objeto

de verificar el óptimo funcionamiento del microprocesador instalado en la placa.

Con esta prueba se corroboró que el microprocesador está en buenas

condiciones.

• (PRUEBA No. 7) Para probar el funcionamiento de los sensores PIR se

utilizó el microcontrolador y el display con la siguiente lógica: si toda la circuitería

del sensor PIR detecta el movimiento de una persona, envía un uno lógico al

microcontrolador, donde una variable (Ba o Bb) cuantifica las veces que se da

este fenómeno. El valor de dicha variable se despliega en el LCD cada vez que

existe un cambio. La respuesta de cada PIR es independiente. Para las pruebas

descritas anteriormente se ha pasado la mano a una altura aproximada de 10cm

sobre la placa.

Existen saltos en los valores reflejados en el display al momento de encendido del

contador, debido a que los sensores PIR necesitan un tiempo de adaptación a la

temperatura del medio ambiente que lo circunda. Los saltos registrados en las

variables correspondientes no influyen en el resultado del conteo final de

personas.

Hasta el momento se han realizado pruebas hasta los diez centímetros de

distancia aproximadamente, a continuación se va a realizar las pruebas con el

paso de una o varias personas:

• (PRUEBA No. 8) Para que los sensores PIR puedan detectar el movimiento

de una persona a una distancia mayor a los 60 centímetros, requiere trabajar con

el lente de Fresnel, el cual dependiendo de la forma como se lo ubique, tendrá

mayor o menor ángulo de detección. Para obtener la posición correcta, se han

realizado las siguientes pruebas y se ha determinado lo siguiente:

120

• (PRUEBA No. 8.1) Si se ubica el lente de Fresnel en una posición curva y

alejada unos 3cms de los sensores, no presenta una buena detección, existiendo

más del 50% de error.

• (PRUEBA No. 8.2) Si se ubica el lente en la misma forma curva, pero lo

más cerca posible de los sensores, tiene un conteo aceptable con un porcentaje

de error de un 20%. El inconveniente que se presenta en esta prueba, es la

ampliación del área de detección, a tal nivel de contar personas que se

encuentran en las cercanías de la puerta pero que no necesariamente la han

cruzado.

• (PRUEBA No. 8.3) Si se ubica el lente en una forma curva, a un centímetro

de los sensores y se tapa los lados del sensor, se obtiene un 60% de error.

• (PRUEBA No. 8.4) Si se ubica el lente en forma plana paralela a los

sensores, se mejora notablemente el conteo, con un porcentaje de error de 15%

aproximadamente, ya que presenta el mismo problema de la prueba 8.2. Para

corregir este inconveniente, se procede a tapar con taipe las zonas laterales por

donde ingresa luz, quedando solo la parte frontal de los sensores cubierto por los

lentes de Fresnel.

• (PRUEBA No. 8.5) Tapando las zonas laterales de los sensores, se ha

conseguido disminuir el área de cobertura de tal forma que el contador genera un

dato valido cuando una persona ha atravesado la puerta. El porcentaje de error

está alrededor de un 10%. Con este porcentaje de error, se procederá a realizar

las pruebas en el campo, y verificar como afectan los aspectos descritos en el

literal 1.8 (variables físicas que influyen en los sensores al momento de las

mediciones).

Pruebas con el microcontrolador del módulo Ultrasónico

• (PRUEBA No. 9) Para probar el funcionamiento de los sensores de

ultrasonido se utilizó el microcontrolador y el zumbador. Se ubica diferente objetos

como hojas de papel, cartón, cajas de plástico e inclusive la mano, tapando los

sensores a diferentes distancias desde la placa.

121

La distancia a la cual el zumbador pita durante dos segundos por obstrucción,

está en el rango de 10 a 12 centímetros, esto cumple con la programación

realizada en el firmware.

Si no se ha retirado el objeto que estaba obstruyendo el haz de cobertura de los

sensores, vuelve a sonar después de 5 segundos de espera. Este proceso es

repetitivo hasta cuando no exista la condición de obstrucción de los sensores.

Las pruebas que anteceden, se las ha realizado utilizando al display como

visualizador. A continuación, se presenta las pruebas realizadas a través de la

comunicación serial entre la computadora y el prototipo contador de personas,

para observar los datos y realizar las pruebas de administración desde la interfaz

gráfica.

Pruebas con el microcontrolador de la parte de comunicaciones

• (PRUEBA No. 10) Para verificar que el cable DB9 está correctamente

construido se realiza el siguiente proceso:

a) Se conecta el un extremo del cable DB9 al puerto serie del

computador (COM1, COM2,…, etc.), y el otro extremo al terminal del

prototipo contador.

b) Se abre la aplicación HyperTerminal de Windows con cualquier

nombre (desde inicio, accesorios, comunicaciones, HyperTerminal),

usando el COM disponible.

c) Se configura el puerto con los valores predeterminados.

d) Se puede observar los códigos ASCII de las tramas de entrada y

salida en la pantalla del HyperTerminal, lo que indica que existe

transmisión y se ha construido correctamente este cable.

122

3.4 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL SOFTWARE DEL

PROTOTIPO

En la interfaz gráfica, se ha ido modificando y corrigiendo varios parámetros hasta

obtener los siguientes resultados:

En la figura 3.37 se muestra el formulario de presentación del Prototipo Contador

de Personas:

Figura. 3.37 Formulario de Presentación del Contador de Personas

En la figura 3.38, se muestra la interfaz gráfica para prototipo contador de

personas, esta contiene un botón para abrir el puerto de comunicación serial a

traves de la cual comienza la transmisión de datos.

123

Figura. 3.38 Interfaz Gráfica y Botón para abrir el puerto

Según el diagrama de flujo mostrado en la figura 2.40, los datos enviados por el

microcontrolador se validan en la interfaz grafica con la trama de entrada o salida.

De pasar la validacion, el microcontrolador acepta un nuevo valor para el

contador, de entrada o salida de personas según sea el caso.

Mientras las personas ingresen o salgan del lugar censado, instantáneamente se

va calculando el total de personas que se encuentran dentro del lugar, como se

puede observar en la figura 3.39:

124

Figura. 3.39 Total Instantáneo dentro del lugar

Cada vez que se genera un dato en la variable entran, se va almacenando

instántaneamente en un archivo de datos, con la fecha y hora de ingreso; estos

datos servirán al momento que se requiera un total de personas dentro de un

tiempo determinado.

El archivo de datos se crea cuando el contador de personas es conectado por

primera vez a la PC. Si en la computadora ya esta creado el archivo, solamente

guarda los datos.

En la figura 3.40 se muestra el archivo de texto y la forma de almacenar los datos:

125

Figura 3.40 Archivo de Datos para Total

En las figuras 3.41 y 3.42 se muestra la manera de obtener el número de

personas que en un lapso determinado de tiempo, entraron a un lugar. El usuario

ingresa las horas y fechas que delimitan el espacio de tiempo de donde se

126

requieren los datos, para que el programa busque en el archivo de datos y se

realice las operaciones adecuadas para el cálculo de dicho valor. La interfaz

gráfica despliega un valor con la última actualización instantánea.

Figura. 3.41 Ingreso de hora y fecha para el total

Figura. 3.42 Total de personas que entraron en un lapso determinado

127

Si en las fechas ingresadas no existen datos, el contador despliega un mensaje

de texto, indicando dicha situación.

Otro de los beneficios que brinda el prototipo contador de personas es la

posibilidad de reiniciar el conteo. Esta opción se activa dando un click en el botón

“Reset” de la interfaz gráfica (figura 3.43):

Figura. 3.43 Reseteo de Contador de Personas

Al presionar el botón de reset se deshabilita la barra de menú, hasta que se

acepte o se cancele la acción.

En la figura 3.44 se observa el lugar donde se ingresa el nombre de usuario y la

contraseña:

128

Figura. 3.44 Ingreso de una clave de autorización

Si el ingreso de la clave de autorización o el usuario son incorrectos, el programa

no permite resetear el conteo. El administrador del prototipo, tiene la posibilidad

de ingresar hasta tres veces el usuario y la clave correctas; si al tercer intento la

clave es incorrecta, se desactiva automáticamente la opción de reset, como se

puede observar en la figura 3.45:

Figura 3.45 Validación de la clave de autorización

129

3.5 PRUEBAS DE CAMPO DEL PROTOTIPO CONTADOR DE

PERSONAS PCP

Se ha ubicado el prototipo en dos puertas de acceso, la primera de bajo tráfico (1

a 10 personas por hora) y la segunda de tráfico considerable (10 a 50 personas

por hora).

En la tabla 3.1 se muestran los datos tomados por el contador durante la

calibración de sus sensores:

DATOS TOMADOS POR EL PROTOTIPO CONTADOR DE PERSONAS

N.- Prueba

Conteo Manual Conteo PCP

Ingresan Salen Ingresan Salen

1 20 13 14 13

2 14 14 13 13

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Suma 130 118 108 107

Tabla 3.1 Datos antes y durante la calibración del prototipo

Como se puede observar los errores son considerables, por lo que se procede a

la regulación de la sensibilidad de los sensores hasta llegar a tener un

funcionamiento adecuado del contador. En la tabla 3.2 se muestran los datos

tomados por el contador después de la calibración en los potenciómetros

correspondientes. Estos datos servirán para calcular el error del prototipo

contador de personas.

N.- Prueba Conteo Manual Conteo PCP

Ingresan Salen Ingresan Salen

1 29 15 27 16

2 53 40 52 37

3 22 36 25 38

4 50 56 54 60

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8 36 20 33 22

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11 19 9 21 10

12 7 7 7 7

Suma 373 323 375 330

Tabla 3.2 Datos de conteo del Contador de Personas

3.6 DETERMINACIÓN DEL ÍNDICE DE ERROR EN EL CONTEO

DE PERSONAS

Debido a que todos los sistemas electrónicos tienen un índice de error en su

funcionamiento, es importante calcularlo en los contadores de personas para

tener un punto de comparación entre estos.

A continuación se definirá algunos conceptos útiles para entender el cálculo del

índice de error:

· Número de Personas: Es la diferencia entre las personas que ingresan y

salen de un lugar dividido para 2. En definitiva, es el número de personas

que pasaron por dicho lugar.

· Error absoluto: Es la diferencia entre el valor de la medida (obtenida del

prototipo) y el valor tomado como exacto.

· Error relativo: Es el cociente entre el error absoluto y el valor tomado

como exacto. Para obtener un error relativo porcentual se debe multiplicar

al error relativo por el 100%, el cual puede ser positivo o negativo,

dependiendo si el error se da por exceso o defecto.

Utilizando las definiciones anteriores, se va a diferenciar tres tipos de errores que

son tomados en cuenta en todos los contadores de personas en el mercado al

momento de adquirirlos por las personas interesadas:

· Error de personas.

· Error de la cantidad de saldo de las personas que ingresan.

131

· Error de la cantidad de saldo de las personas que salen.

· Error no saldado

Error de personas

Se define como la diferencia entre el número de personas censadas por el

contador y el número de personas contadas manualmente, dividido, para el

número de personas contadas manualmente, por lo que se define como un error

relativo.

Donde el subíndice 1 denota el número de prueba, el subíndice PCP denota el

número de personas censadas por el contador y el subíndice Manual denota un

conteo manual de las personas censadas.

Error de la cantidad de saldo de las personas que ingresan

Se define como la diferencia entre el número de personas que ingresan censadas

por el contador y el número de personas que ingresan contadas manualmente,

dividido, para el número de personas que ingresan contadas manualmente.

Para el error de la cantidad de personas que salen, la fórmula es la misma

tomando en cuenta el sentido de paso de las personas:

132

Error no saldado

El error no saldado describe la cantidad de errores absolutos y tiene por lo tanto

importancia para la comparación entre los diferentes sistemas contadores de

personas.

Se lo define como la suma de los errores absolutos del número de personas que

entran y que salen entre el conteo del prototipo y el conteo manual dividido para la

suma del total de personas del conteo manual que se ingresan y salen.

(Ec. 3.4)

El prototipo contador de personas garantiza los siguientes valores:

· Un error de personas aprox. 4.80%

· Un error de saldo de personas que ingresan aprox. 7.14%

· Un error de saldo de personas que salen aprox. 6.30%

· Un error no saldado aprox. 6.60%

Estos valores se garantizan siempre y cuando las personas pasen en forma

ordenada, exista un distanciamiento entre ellas, no se presenten en el lugar

vibraciones ni fuentes de calor.

13

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10,

71

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10,

53

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3 32

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s

135

Como resultado de las pruebas realizadas, además de obtener el índice de error

con el que trabaja el PCP, se tiene las siguientes observaciones que se pueden

presentar en el conteo, en determinados casos:

· Paso de una persona:

El contador depende de la velocidad con la que pasen las personas; por ejemplo,

si pasan a una velocidad alta (corriendo) es poco probable que se realice un

conteo correcto, incrementándose el índice de error, debido a que la respuesta

de los sensores PIR es lenta. Por el contrario, si una persona pasa a una

velocidad normal y constante no se presentan errores en el conteo.

· Paso de dos personas:

Con el presente proyecto no se puede determinar el paso de dos personas a la

vez, ya que se produce un error de conteo.

Pueden pasar dos personas seguidas, pero no unidas ya que el contador los

distingue como una sola persona. Experimentalmente, se comprobó que la

distancia mínima que debe cumplirse entre dos personas es de 30 cm, para que

el contador tenga una respuesta aceptable.

· Paso de animales u objetos

El prototipo contador de personas solo cuenta cuando atraviesa su haz de

cobertura un ser humano, gracias a la característica propia del sensor PIR

utilizado.

136

4 CAPÍTULO 4: ANÁLISIS DE COSTOS

A continuación se detalla el precio de los diferentes elementos utilizados en la

implementación del prototipo. La mayoría de los componentes se los puede

adquirir en el mercado electrónico de nuestro país; se detallará los que se han

conseguido en el mercado extranjero.

4.1 COSTO DEL PROTOTIPO

En la tabla 4.1 se realiza una descripción de los costos del prototipo:

DESCRIPCIÓN ELEMENTOS CANTIDAD COSTO UNIDAD

($)

COSTO TOTAL ($)

PLACA DEL CIRCUITO

Microcontrolador ATMEGA-324P 1 10 10

MAX 232 1 6 6

LCD 2*16 1 8 8

Regulador de Voltaje LM7805 1 0,55 0,55

2N3904 2 0,5 1

Potenciómetros 5 0,4 2

Capacitores Cerámicos 7 0,1 0,7

Capacitores Electrolíticos 100 uF 2 0,1 0,2






Cristal de Cuarzo 11 MHz 1 0,9 0,9

LM324AD 2 0,35 0,7

Resistencias 28 0,03 0,84

Led rojo 1 0,1 0,1

Zumbador activo de 12V 1 1,6 1,6

Diodo 1N4007 1 0,1 0,1

Conector DB9 2 0,45 0,9

Pulsadores 2 0,25 0,5

Sócalo 8 pines 1 0,14 0,14

Sócalo 16 pines 1 0,14 0,14

Programador 1 2 2

Sensores PIR 2 4 8

Sensores de Ultrasonido 2 6 12

Espadín de 90 grados 1 0,75 0,75

circuito impreso 1 47 47

137

lente de Fresnel 1 8 8

Regleta maquinada 1 1,45 1,45

Conector para alimentación 1 0,3 0,3

Otros accesorios

Switch magnético 1 3,5 3,5

Cable UTP cat 5E 6 0,6 3,6

Conectores DB9 macho y hembra 2 0,75 1,5

Caja para proyecto 1 7 7

Adaptador de poder 1 12 12

Cinta Doble Faz 1 1,6 1,6

TOTAL MATERIALES 144,79

MANO DE OBRA Mano de Obra (horas)

360 30 10800

COSTO FINAL DEL PROYECTO 10944,79

Tabla 4.1 Descripción de los costos del prototipo

*estos elementos fueron traídos bajo pedido.

Se ha realizado una cotización de los elementos utilizados en dos almacenes

electrónicos en la ciudad de Quito, donde la diferencia entre las proformas no es

significativa.

4.2 POSIBLE INTRODUCCIÓN AL MERCADO DE ECUADOR

El prototipo del presente trabajo está dirigido a lugares cerrados como centros

comerciales, plazas, coliseos, cines, instituciones bancarias, aeropuertos,

estadios, etc. Lugares donde sea necesario tener estadísticas de ingreso y salida

de personas para mejorar la administración de los mismos.

Según datos recopilados para el 2004, en el Ecuador existen:

· 3790 establecimientos de atención médica.

· 24928 establecimientos de educación.

· 350 escenarios deportivos considerados principales y de mayor capacidad.

· 22 empresas eléctricas.

138

· 13367 industrias.

· 20000 establecimientos comerciales.

· 5386 establecimientos destinados al turismo como hoteles, hosterías, bares,

restaurantes, discotecas, operadoras de turismo, etc.

Por lo descrito anteriormente, hay aproximadamente 67843 lugares donde se

podría colocar el prototipo diseñado, considerando que el crecimiento en el

Ecuador en lo que se refiere a este tipo de establecimientos no es considerable,

se tomará esta cifra como actual.

Si se estima una introducción en el mercado antes mencionado del 5% para

comenzar el proyecto, teniendo en cuenta que para cada establecimiento se

colocaría en promedio dos prototipos, se estaría instalando el prototipo en

aproximadamente 6784 puertas de acceso/salida.

El costo de los materiales para los primeros 6784 prototipos iniciales tendría un

costo aproximado de 982255,36 USD. Tomando en cuenta que en países como

Alemania donde es altamente comercializado el sistema Dilax, cada aparato de

censo está bordeando los 800 USD, se ha decidido comercializar el prototipo el

300 USD cada uno.

Por lo que.-

Precio de venta al público de cada prototipo: $ 300.00

Número aproximado de prototipos a venderse: 6784 unidades

Valor de recaudación de la venta de los prototipos: $ 2035200

Valor de materiales por cada prototipo: $ 144,79

Valor total invertido en materiales: $ 982255,36

Valor (otros): $ 400000.00

Ganancia: $ 655428

139

En el valor de otros se considera las instalaciones de la empresa, maquinaria,

marketing, gastos de energía eléctrica, agua, el sueldo del personal técnico y

administrativo, además de viáticos y transporte para la instalación.

La ganancia está estimada en un lapso de tiempo de un año, ya que se ha

verificado experimentalmente que cada persona puede instalar hasta 2 prototipos

por día.

140

5 CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

5.1 CONCLUSIONES

Con el desarrollo del presente proyecto se obtuvieron las siguientes conclusiones:

ü El presente proyecto, permite ver que utilizando elementos de uso común y

fácil acceso, se puede elaborar un contador de personas.

ü La comercialización del prototipo contador de personas es rentable, ya que

en el Ecuador es un producto innovador y gracias a los beneficios que

brinda, tendrá una gran acogida.

ü En Ecuador no existe ninguna entidad o empresa que se dedique al estudio

sobre la cuantificación de personas, fabricación y/o comercialización de

contadores.

ü El prototipo contador de personas tiene una gran facilidad de

implementación y administración; y sobre todo, tiene un alto índice de

efectividad en sus resultados.

ü Las aplicaciones más comunes que se pueden dar al prototipo contador de

personas son: control de flujo de personas en cualquier sitio, mejoramiento

de la rentabilidad de las empresas, control de la capacidad de ocupación

de los espacios cerrados, dimensionamiento de personal (relacionado

directamente con la tendencia de uso de las instalaciones), control y

distribución de recursos o servicios, cuantificación de las personas con

capacidades especiales sin presentar aditamentos mecánicos que impidan

su libre circulación.

ü El limitante del prototipo, es la incapacidad de conteo de personas cuando

cruzan un punto fijo en forma desordenada o a gran velocidad, debido a

que los sensores PIR requieren volver a sus condiciones iniciales parar

realizar un nuevo conteo.

141

ü El prototipo mejora el desenvolvimiento diario de las personas, aportando

información sobre los lugares donde se encuentran, para tener bienestar y

confort en los mismos.

5.2 RECOMENDACIONES

ü Se recomienda hacer estudios para las mejoras que se pueden dar al

presente proyecto; por ejemplo, el conteo de personas en lugares en

movimiento como los buses de transporte público.

ü De igual manera, se puede mejorar la comunicación entre el PCP y el

computador, reemplazando el cableado por tecnologías inalámbricas como

el bluetooth.

ü El sensor no se debe ubicar en lugares donde la radiación infrarroja que

emiten las personas, pueda ser obstruida; por ejemplo, a través de una

ventana, puesto que los rayos infrarrojos no atraviesan esta clase de

materiales. Es decir, el PCP tiene que estar libre de obstáculos.

ü Según las condiciones ambientales de temperatura, los rangos de

detección de los sensores pueden variar. Se recomienda no exponerlo

directamente a la luz solar, focos, al aire de calefactores o aires

acondicionados. Además, su funcionamiento no será el mismo en

diferentes lugares del país donde exista un notable cambio de temperatura;

por ejemplo, entre Quito y Guayaquil se debe hacer una calibración para

cada caso.

ü Debe evitarse instalarlo en lugares donde pueda recibir golpes y/o

vibraciones; además, no se debe tocar directamente la ventana del sensor

PIR con la mano ni con cosas duras, ya que puede romperse o ensuciarse.

ü No se debe ubicar el prototipo en lugares con alfombrado muy espeso o

con paneles anti acústicos en el techo, ya que absorberán el sonido

ultrasónico emitido por los sensores ultrasónicos.

142

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