Caso práctico: Sistema de alarma con doble sensor

Prototipo de Sistema de alarma con doble sensor (Maker Style)

Nivel: Básico — Implementar un circuito lógico que active una alarma si cualquiera de dos sensores detecta una intrusión.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito lógico digital utilizando un circuito integrado 74HC32 (puerta OR). El circuito monitorea dos interruptores que representan sensores de puerta; si se activa cualquiera de los interruptores (lógica ALTA o HIGH), el LED de salida (alarma) se enciende.

Por qué es útil:
* Seguridad en el hogar: Simula un sistema donde abrir la puerta delantera o la trasera activa la sirena.
* Seguridad automotriz: Funciona como la luz de «puerta abierta» del tablero, que se ilumina si alguna puerta de los pasajeros no está completamente cerrada.
* Controles industriales: Actúa como un monitor de fallos simplificado donde múltiples señales de error pueden activar una única luz de advertencia.

Resultado esperado:
* Estado de espera: Cuando ambos interruptores están abiertos (entrada de 0 V), el LED permanece APAGADO.
* Estado activo 1: Cuando el interruptor A está cerrado (entrada de 5 V), el LED se ENCIENDE.
* Estado activo 2: Cuando el interruptor B está cerrado (entrada de 5 V), el LED se ENCIENDE.
* Estado activo dual: Cuando ambos interruptores están cerrados, el LED permanece ENCENDIDO.
* Público objetivo: Estudiantes de electrónica y aficionados que aprenden puertas lógicas digitales básicas.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC o paquete de baterías
  • U1: CI 74HC32 con cuádruple puerta OR de 2 entradas
  • S1: Interruptor de palanca SPST o pulsador, función: Sensor de puerta delantera (Entrada A)
  • S2: Interruptor de palanca SPST o pulsador, función: Sensor de puerta trasera (Entrada B)
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para Entrada A
  • R2: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para Entrada B
  • R3: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED
  • D1: LED rojo, función: Indicador de alarma
  • Protoboard y cables de conexión

Pin-out del CI utilizado

Chip seleccionado: 74HC32 (Cuádruple puerta OR de 2 entradas)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1A Entrada A (Puerta 1) Conectado a S1 y R1
2 1B Entrada B (Puerta 1) Conectado a S2 y R2
3 1Y Salida (Puerta 1) Conectado a R3 (controlador de LED)
7 GND Tierra Conectado a 0 (Riel negativo)
14 VCC Alimentación positiva Conectado al riel de 5 V

Guía de conexionado

Construye el circuito en la protoboard siguiendo estas conexiones. Los nombres de los nodos (por ejemplo, IN_A, VCC) indican uniones eléctricas.

  • Fuente de alimentación:
    • V1: Terminal positivo al nodo VCC.
    • V1: Terminal negativo al nodo 0 (GND).
  • Alimentación del CI:
    • U1 (Pin 14): Conectar a VCC.
    • U1 (Pin 7): Conectar a 0.
  • Sensor A (Puerta delantera):
    • S1: Conectar entre VCC y el nodo IN_A.
    • R1: Conectar entre el nodo IN_A y 0 (Funciona como resistencia pull-down para asegurar un 0 lógico cuando el interruptor está abierto).
    • U1 (Pin 1): Conectar al nodo IN_A.
  • Sensor B (Puerta trasera):
    • S2: Conectar entre VCC y el nodo IN_B.
    • R2: Conectar entre el nodo IN_B y 0 (Funciona como resistencia pull-down).
    • U1 (Pin 2): Conectar al nodo IN_B.
  • Etapa de salida:
    • U1 (Pin 3): Conectar al nodo SIG_OUT.
    • R3: Conectar entre el nodo SIG_OUT y el nodo LED_ANODE.
    • D1: Ánodo al nodo LED_ANODE, Cátodo a 0.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC32 OR gate

Esquemático

[ INPUT SENSORS ]                        [ LOGIC PROCESSING ]                  [ OUTPUT ALARM ]

[ VCC ] --> [ S1: Front Door ] --+--(IN_A)--> [ Pin 1 ] --+
                                 |                        |
                           [ R1: 10k ]                    |
                                 |                        v
                               [ GND ]             +-------------+
                                                   |  U1: 74HC32 |
                                                   |  (OR Gate)  | --(Pin 3)--> [ R3: 330 ] --> [ D1: LED ] --> GND
                                                   +-------------+
                               [ GND ]                    ^
                                 |                        |
                           [ R2: 10k ]                    |
                                 |                        |
[ VCC ] --> [ S2: Back Door  ] --+--(IN_B)--> [ Pin 2 ] --+
Esquema Eléctrico

Tabla de verdad

El 74HC32 se comporta según la lógica OR estándar:

Sensor A (S1) Sensor B (S2) Pin 1 (Voltios) Pin 2 (Voltios) Pin de salida 3 (Voltios) Estado del LED
Abierto Abierto 0 V 0 V 0 V (BAJO) APAGADO
Abierto Cerrado 0 V 5 V 5 V (ALTO) ENCENDIDO
Cerrado Abierto 5 V 0 V 5 V (ALTO) ENCENDIDO
Cerrado Cerrado 5 V 5 V 5 V (ALTO) ENCENDIDO

Mediciones y pruebas

  1. Verificación de alimentación: Antes de insertar el CI, energiza los rieles y mide el voltaje entre VCC y 0. Debería leer aproximadamente 5 V.
  2. Verificación de entrada:
    • Mantén U1 insertado. Mide el voltaje en el Pin 1 con respecto a GND. Debería ser 0 V.
    • Presiona S1. El voltaje en el Pin 1 debería saltar a ~5 V.
    • Repite para S2 y el Pin 2.
  3. Prueba lógica:
    • Asegúrate de que ambos interruptores estén abiertos. Mide el Pin 3 (Salida); debería estar cerca de 0 V.
    • Cierra solo S1. Mide el Pin 3; debería estar cerca de 5 V. El LED debería encenderse.
    • Cierra solo S2. Mide el Pin 3; debería estar cerca de 5 V. El LED debería encenderse.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: Dual Sensor Alarm System
* Corrected SPICE Netlist based on BOM and Wiring Guide

* ==============================================================================
* POWER SUPPLY
* ==============================================================================
* V1: 5V DC Supply
* Wiring: Positive to VCC, Negative to 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* ==============================================================================
* INPUT SENSORS
* ==============================================================================
* Sensor A: Front Door (S1, R1)
* Wiring: S1 connects VCC to IN_A. R1 connects IN_A to 0 (Pull-down).
* Simulation: S1 is modeled as a voltage-controlled switch driven by a control pulse
* to simulate a button press sequence.
V_CTRL_A CTRL_A 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
S1 VCC IN_A CTRL_A 0 SW_GEN
R1 IN_A 0 10k

* Sensor B: Back Door (S2, R2)
* Wiring: S2 connects VCC to IN_B. R2 connects IN_B to 0 (Pull-down).
* Simulation: S2 control pulse is offset to test all truth table combinations.
V_CTRL_B CTRL_B 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 200u 400u)
S2 VCC IN_B CTRL_B 0 SW_GEN
R2 IN_B 0 10k

* ==============================================================================
* LOGIC IC: U1 (74HC32)
* ... (truncated in public view) ...

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* Practical case: Dual Sensor Alarm System
* Corrected SPICE Netlist based on BOM and Wiring Guide

* ==============================================================================
* POWER SUPPLY
* ==============================================================================
* V1: 5V DC Supply
* Wiring: Positive to VCC, Negative to 0 (GND)
V1 VCC 0 DC 5

* ==============================================================================
* INPUT SENSORS
* ==============================================================================
* Sensor A: Front Door (S1, R1)
* Wiring: S1 connects VCC to IN_A. R1 connects IN_A to 0 (Pull-down).
* Simulation: S1 is modeled as a voltage-controlled switch driven by a control pulse
* to simulate a button press sequence.
V_CTRL_A CTRL_A 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
S1 VCC IN_A CTRL_A 0 SW_GEN
R1 IN_A 0 10k

* Sensor B: Back Door (S2, R2)
* Wiring: S2 connects VCC to IN_B. R2 connects IN_B to 0 (Pull-down).
* Simulation: S2 control pulse is offset to test all truth table combinations.
V_CTRL_B CTRL_B 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 200u 400u)
S2 VCC IN_B CTRL_B 0 SW_GEN
R2 IN_B 0 10k

* ==============================================================================
* LOGIC IC: U1 (74HC32)
* ==============================================================================
* Wiring: Pin 1=IN_A, Pin 2=IN_B, Pin 3=SIG_OUT, Pin 7=0, Pin 14=VCC
* Uses a subcircuit to model the OR gate logic
XU1 IN_A IN_B SIG_OUT 0 VCC 74HC32

* ==============================================================================
* OUTPUT STAGE
* ==============================================================================
* Wiring: SIG_OUT -> R3 -> LED_ANODE -> D1 -> 0
R3 SIG_OUT LED_ANODE 330
D1 LED_ANODE 0 LED_RED

* ==============================================================================
* MODELS & SUBCIRCUITS
* ==============================================================================

* Model for Switch (Idealized Push-Button)
.model SW_GEN SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=10Meg)

* Model for Red LED
.model LED_RED D(IS=1u N=3 RS=5)

* Subcircuit for 74HC32 (Quad 2-Input OR Gate)
* Implements OR logic: Y = A OR B
* Mathematical implementation using De Morgan's Law for continuous signals:
* Y = 1 - ( (1-A) * (1-B) )  (normalized 0-1 logic)
.subckt 74HC32 A B Y GND_PIN VCC_PIN
    * Sigmoid function to normalize inputs: 1/(1+exp(-20*(V(in)-2.5)))
    * Logic formula: V(Y) = V(VCC) * (1 - ( (1-Sig(A)) * (1-Sig(B)) ))
    B_OR Y GND_PIN V = V(VCC_PIN) * (1 - ( (1 - 1/(1+exp(-20*(V(A)-2.5)))) * (1 - 1/(1+exp(-20*(V(B)-2.5)))) ))
.ends

* ==============================================================================
* ANALYSIS
* ==============================================================================
* Transient analysis to verify truth table (00, 10, 01, 11)
.tran 1u 500u

* Monitor Input and Output Voltages
.print tran V(IN_A) V(IN_B) V(SIG_OUT) V(LED_ANODE)

* Compute DC Operating Point
.op

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (1202 rows) 
Index   time            v(in_a)         v(in_b)         v(sig_out)
0	0.000000e+00	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
1	1.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
2	2.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
3	4.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
4	8.000000e-08	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
5	1.600000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
6	3.200000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
7	6.400000e-07	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
8	1.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
9	2.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
10	3.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
11	4.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
12	5.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
13	6.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
14	7.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
15	8.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
16	9.280000e-06	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
17	1.000000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
18	1.010000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
19	1.026000e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
20	1.030750e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
21	1.039062e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
22	1.041363e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
23	1.045390e-05	4.995005e-03	4.995005e-03	5.000000e+00
... (1178 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Entradas flotantes: Olvidar R1 o R2 (resistencias pull-down).
    • Solución: Las puertas lógicas se comportan de manera impredecible si las entradas no están conectadas a un voltaje definido. Usa siempre resistencias pull-down (a tierra) o resistencias pull-up (a VCC) para interruptores mecánicos.
  2. Falta la resistencia del LED: Conectar el LED directamente a la salida del CI.
    • Solución: Incluye siempre R3 (330 Ω) para limitar la corriente. Sin ella, puedes dañar el LED o la etapa de salida del 74HC32.
  3. Orientación incorrecta del CI: Insertar el 74HC32 al revés.
    • Solución: Localiza la muesca o el punto en el encapsulado del CI. La muesca indica el extremo con el Pin 1 y el Pin 14.

Solución de problemas

  • El LED siempre está ENCENDIDO:
    • Comprueba si R1 o R2 están desconectadas (las entradas flotantes a menudo derivan a ALTO/HIGH).
    • Verifica que S1 o S2 no estén cableados como «normalmente cerrados» por error.
    • Busca cortocircuitos entre VCC y el Pin 1/Pin 2.
  • El LED nunca se ENCIENDE:
    • Comprueba si el CI tiene alimentación (Pin 14 a 5V, Pin 7 a GND).
    • Verifica la polaridad del LED (el Ánodo debe mirar hacia la resistencia/CI, el Cátodo a GND).
  • El LED brilla muy poco:
    • El valor de R3 podría ser demasiado alto (por ejemplo, usar 10 kΩ en lugar de 330 Ω).
    • El voltaje de la fuente de alimentación podría ser demasiado bajo (< 3 V).

Posibles mejoras y extensiones

  1. Alarma con enclavamiento: Añade un flip-flop o crea un circuito de enclavamiento (latch) para que la alarma permanezca ENCENDIDA incluso después de que el intruso cierre la puerta (S1/S2 se abran de nuevo), requiriendo un reinicio manual.
  2. Alerta sonora: Conecta un zumbador activo en paralelo con el LED (impulsado por un transistor si el requisito de corriente supera los 20 mA) para añadir sonido a la alarma visual.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Qué circuito integrado se utiliza principalmente en este caso práctico?




Pregunta 2: ¿Qué tipo de puerta lógica representa el CI 74HC32?




Pregunta 3: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito?




Pregunta 4: ¿Qué sucede con el LED cuando ambos interruptores están abiertos (0 V)?




Pregunta 5: ¿Qué voltaje se considera como entrada en 'Estado activo' cuando se cierra un interruptor?




Pregunta 6: ¿Cuál es el resultado esperado si el interruptor A está cerrado y el interruptor B está abierto?




Pregunta 7: ¿Qué aplicación de seguridad automotriz se menciona como ejemplo para este circuito?




Pregunta 8: Según la lógica OR del circuito, ¿qué ocurre si ambos interruptores se cierran simultáneamente?




Pregunta 9: ¿Qué nivel de dificultad se asigna a este caso práctico?




Pregunta 10: ¿Cómo actúa este circuito en un contexto de controles industriales?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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