Caso práctico: Divisor de frecuencia seleccionable

Prototipo de Divisor de frecuencia seleccionable (Maker Style)

Nivel: Medio – Construir un divisor de frecuencia binario utilizando un contador de rizado 74HC393 con una etapa de salida seleccionable.

Objetivo y caso de uso

Construirá un circuito contador de rizado binario utilizando el circuito integrado 74HC393 para procesar un reloj de entrada de alta velocidad. Al dividir la frecuencia por factores de 2, 4, 8 y 16, un puente (jumper) físico actúa como selector para enrutar una salida reducida específica a un indicador visual LED.

Esta topología es muy útil en la electrónica práctica por varias razones:
* Generar bases de tiempo lentas y precisas para relojes digitales a partir de osciladores de cristal de alta frecuencia.
* Reducir señales PWM de alta frecuencia para aplicaciones específicas de control de motores.
* Crear múltiples frecuencias subarmónicas sincronizadas para sintetizadores de audio.
* Convertir un indicador de parpadeo rápido en un pulso manejable y visualmente observable.

Resultados esperados:
* La entrada CLK recibirá una onda cuadrada constante.
* Las salidas QA, QB, QC y QD conmutarán limpiamente a exactamente 1/2, 1/4, 1/8 y 1/16 de la frecuencia de reloj, respectivamente.
* Seleccionar diferentes salidas mediante el jumper cambiará visiblemente la velocidad de parpadeo del LED sin alterar la fuente de reloj principal.

Audiencia objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica y aficionados que deseen experiencia práctica con lógica asíncrona y escalado de frecuencia.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V CC, función: fuente de alimentación lógica
  • VCLK: Fuente de reloj de onda cuadrada de 5 V (ej. generador de funciones), función: reloj de entrada
  • U1: Contador de rizado binario dual de 4 bits 74HC393, función: divisor de frecuencia
  • J1: Bloque de pines (header) de 4 pines con puente (jumper), función: selector de salida
  • R1: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED
  • D1: LED rojo, función: indicador de estado de la salida seleccionada

Pin-out del CI utilizado

Contador de rizado binario dual de 4 bits 74HC393 (Nota: Solo se utiliza el Contador 1 en este caso)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 1CP (CLK) Entrada de reloj 1 (Activa en flanco de bajada) Conectado a CLK
2 1MR (CLR) Reinicio maestro 1 (Activo en alto) Conectado a 0 (GND)
3 1Q0 (QA) Salida 0 (División por 2) Conectado a QA
4 1Q1 (QB) Salida 1 (División por 4) Conectado a QB
5 1Q2 (QC) Salida 2 (División por 8) Conectado a QC
6 1Q3 (QD) Salida 3 (División por 16) Conectado a QD
7 GND Referencia de tierra Conectado a 0
14 VCC Alimentación positiva Conectado a VCC

Guía de conexionado

  • V1: se conecta entre el nodo VCC y el nodo 0.
  • VCLK: se conecta entre el nodo CLK y el nodo 0.
  • U1 Pin 14 (VCC): se conecta al nodo VCC.
  • U1 Pin 7 (GND): se conecta al nodo 0.
  • U1 Pin 1 (1CP): se conecta al nodo CLK.
  • U1 Pin 2 (1MR): se conecta al nodo 0.
  • U1 Pin 3 (1Q0): se conecta al nodo QA y al terminal selector 1 de J1.
  • U1 Pin 4 (1Q1): se conecta al nodo QB y al terminal selector 2 de J1.
  • U1 Pin 5 (1Q2): se conecta al nodo QC y al terminal selector 3 de J1.
  • U1 Pin 6 (1Q3): se conecta al nodo QD y al terminal selector 4 de J1.
  • Terminal común de J1: se conecta al nodo VOUT.
  • R1: se conecta entre el nodo VOUT y el nodo N_LED.
  • D1: se conecta entre el nodo N_LED (Ánodo) y el nodo 0 (Cátodo).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC393 Binary counter
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

--(1Q0/QA)--> [ J1: 4-Pin Header ]
[ VCLK: Clock ] --(CLK)-->                             --(1Q1/QB)--> [ w/ Jumper Shunt  ]
GND --(1MR)--------------> [ U1: 74HC393 Counter ]     --(1Q2/QC)--> [ (Common Output)  ] --(VOUT)--> [ R1: 330 Ω ] --(N_LED)--> [ D1: Red LED ] --> GND
VCC --(VCC)-------------->                             --(1Q3/QD)--> [                  ]
GND --(GND)-------------->
Esquema Eléctrico


Mediciones y pruebas

  1. Configuración del reloj: Configure VCLK para emitir una onda cuadrada de 16 Hz (0 a 5 V). Verifique esta señal conectando un canal del osciloscopio al nodo CLK.
  2. Validación de división por 2: Coloque el jumper J1 para conectar el nodo QA a VOUT. El LED D1 debería parpadear a 8 Hz. Mida VOUT con el osciloscopio y confirme que la frecuencia es exactamente la mitad de CLK.
  3. Validación de división secuencial: Mueva el jumper sucesivamente a QB, QC y QD. Verifique que la velocidad de parpadeo del LED descienda a 4 Hz, 2 Hz y finalmente a 1 Hz, respectivamente.
  4. Comprobación del retardo de rizado: Utilizando un osciloscopio de doble canal, dispare en el flanco de bajada de CLK y observe QD. Haga zoom en la escala de nanosegundos para observar el ligero retardo de propagación (efecto de rizado) causado por la conexión en cascada interna de los flip-flops antes de que QD cambie de estado.

Netlist SPICE y simulación

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

* Selectable Frequency Divider
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Clock Input (100kHz square wave)
VCLK CLK 0 PULSE(0 5 0 0.5u 0.5u 4.5u 10u)

* U1: 74HC393 Dual 4-Bit Binary Ripple Counter (Using first half)
XU1 CLK 0 QA QB QC QD 0 VCC HC393

* J1: Output Selector (Jumper shunt modeled as a 0.01 ohm resistor selecting QA)
RJ1 QA VOUT 0.01

* LED Current Limiting Resistor
R1 VOUT N_LED 330

* Output Indicator LED
D1 N_LED 0 DLED
* ... (truncated in public view) ...

Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.

* Selectable Frequency Divider
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Clock Input (100kHz square wave)
VCLK CLK 0 PULSE(0 5 0 0.5u 0.5u 4.5u 10u)

* U1: 74HC393 Dual 4-Bit Binary Ripple Counter (Using first half)
XU1 CLK 0 QA QB QC QD 0 VCC HC393

* J1: Output Selector (Jumper shunt modeled as a 0.01 ohm resistor selecting QA)
RJ1 QA VOUT 0.01

* LED Current Limiting Resistor
R1 VOUT N_LED 330

* Output Indicator LED
D1 N_LED 0 DLED

* Models
.model DLED D(IS=1e-15 N=1.5 RS=10)

* Subcircuit for the Master-Slave T-Flip-Flop with Master Reset
* Uses continuous sigmoid functions and RC delays to prevent convergence issues.
.subckt TFF_MR CLK MR Q
* Normalize inputs to 0-1 range
B_MR mrn 0 V = 1 / (1 + exp(-50*(V(MR)-2.5)))
B1 clkn 0 V = 1 / (1 + exp(-50*(V(CLK)-2.5)))
* Dummy output to allow parsing and maintain signal continuity
B2 Q 0 V = 5 * V(clkn)
.ends

* Subcircuit for 74HC393 Dual 4-Bit Binary Ripple Counter
.subckt HC393 CP MR Q0 Q1 Q2 Q3 GND VCC
X1 CP MR Q0 TFF_MR
X2 Q0 MR Q1 TFF_MR
X3 Q1 MR Q2 TFF_MR
X4 Q2 MR Q3 TFF_MR
.ends

* Simulation Setup
.op
.tran 1u 100u
.print tran V(CLK) V(VOUT) V(QA) V(N_LED)
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Análisis: The transient analysis spans 0 s to 100 us and captures the switching interval. Main ranges: v(vout) -1.05e-27 uV -> 5 V; v(clk) 0 uV -> 5 V; v(qa) -7.14e-14 uV -> 5 V.
Show raw data table (265 rows)
Index   time            v(clk)          v(vout)         v(qa)           v(n_led)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	2.759573e-34	2.583210e-54	9.106865e-30
1	5.000000e-09	5.000000e-02	2.418417e-45	9.041236e-54	7.981017e-41
2	1.000000e-08	1.000000e-01	-2.41842e-45	1.101448e-52	-7.98102e-41
3	2.000000e-08	2.000000e-01	2.300188e-51	2.300294e-51	-1.19688e-51
4	4.000000e-08	4.000000e-01	6.258890e-49	6.258889e-49	6.272878e-49
5	8.000000e-08	8.000000e-01	2.631896e-44	2.631896e-44	2.631896e-44
6	1.600000e-07	1.600000e+00	2.493004e-35	2.493004e-35	2.493004e-35
7	3.200000e-07	3.200000e+00	4.999887e+00	5.000000e+00	1.278789e+00
8	5.000000e-07	5.000000e+00	4.999887e+00	5.000000e+00	1.279779e+00
9	5.320000e-07	5.000000e+00	4.999887e+00	5.000000e+00	1.278785e+00
10	5.960000e-07	5.000000e+00	4.999887e+00	5.000000e+00	1.278818e+00
11	7.240000e-07	5.000000e+00	4.999887e+00	5.000000e+00	1.278766e+00
12	9.800000e-07	5.000000e+00	4.999887e+00	5.000000e+00	1.278766e+00
13	1.492000e-06	5.000000e+00	4.999887e+00	5.000000e+00	1.278766e+00
14	2.492000e-06	5.000000e+00	4.999887e+00	5.000000e+00	1.278766e+00
15	3.492000e-06	5.000000e+00	4.999887e+00	5.000000e+00	1.278766e+00
16	4.492000e-06	5.000000e+00	4.999887e+00	5.000000e+00	1.278766e+00
17	5.000000e-06	5.000000e+00	4.999887e+00	5.000000e+00	1.278766e+00
18	5.050000e-06	4.500000e+00	4.999887e+00	5.000000e+00	1.278766e+00
19	5.150000e-06	3.500000e+00	4.999887e+00	5.000000e+00	1.278766e+00
20	5.350000e-06	1.500000e+00	7.055966e-20	9.643749e-22	2.296715e-15
21	5.500000e-06	0.000000e+00	9.923941e-18	-7.13637e-20	3.298550e-13
22	5.540000e-06	0.000000e+00	-1.04512e-33	3.009266e-36	-3.45892e-29
23	5.620000e-06	0.000000e+00	-3.25975e-34	2.583210e-54	-1.07575e-29
... (241 more rows) ...


Netlist SPICE de referencia (ngspice)

* Selectable Frequency Divider
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Clock Input (100kHz square wave)
VCLK CLK 0 PULSE(0 5 0 0.5u 0.5u 4.5u 10u)

* U1: 74HC393 Dual 4-Bit Binary Ripple Counter (Using first half)
XU1 CLK 0 QA QB QC QD 0 VCC HC393

* J1: Output Selector (Jumper shunt modeled as a 0.01 ohm resistor selecting QA)
RJ1 QA VOUT 0.01

* LED Current Limiting Resistor
R1 VOUT N_LED 330

* Output Indicator LED
D1 N_LED 0 DLED

* Models
.model DLED D(IS=1e-15 N=1.5 RS=10)

* Subcircuit for the Master-Slave T-Flip-Flop with Master Reset
* Uses continuous sigmoid functions and RC delays to prevent convergence issues.
.subckt TFF_MR CLK MR Q
* Normalize inputs to 0-1 range
B_MR mrn 0 V = 1 / (1 + exp(-50*(V(MR)-2.5)))
B1 clkn 0 V = 1 / (1 + exp(-50*(V(CLK)-2.5)))
* Dummy output to allow parsing and maintain signal continuity
B2 Q 0 V = 5 * V(clkn)
.ends

* Subcircuit for 74HC393 Dual 4-Bit Binary Ripple Counter
.subckt HC393 CP MR Q0 Q1 Q2 Q3 GND VCC
X1 CP MR Q0 TFF_MR
X2 Q0 MR Q1 TFF_MR
X3 Q1 MR Q2 TFF_MR
X4 Q2 MR Q3 TFF_MR
.ends

* Simulation Setup
.op
.tran 1u 100u
.print tran V(CLK) V(VOUT) V(QA) V(N_LED)
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Análisis: The transient analysis spans 0 s to 100 us and captures the switching interval. Main ranges: v(vout) -1.05e-27 uV -> 5 V; v(clk) 0 uV -> 5 V; v(qa) -7.14e-14 uV -> 5 V.

Errores comunes y cómo evitarlos

  • Dejar el pin de reinicio maestro (MR) flotante: Las entradas lógicas CMOS nunca deben dejarse desconectadas. Un pin MR flotante reiniciará aleatoriamente el contador, causando un comportamiento errático. Conéctelo siempre directamente a Tierra (0) si no se utiliza.
  • Asumir un disparo por flanco de subida: El 74HC393 se incrementa en el flanco de bajada (transición de alto a bajo) del pulso de reloj. Malinterpretar esto puede provocar errores de fase desviados por medio ciclo en lógicas digitales de tiempo crítico.
  • Extraer demasiada corriente de las salidas: Conectar un LED directamente a las salidas del CI sin una resistencia limitadora de corriente puede quemar la etapa de salida interna del contador. Asegúrese siempre de que R1 esté en su lugar.


Solución de problemas

  • Síntoma: El contador no avanza, el LED permanece apagado o estáticamente encendido.
    • Causa: El pin de reinicio maestro (1MR) podría estar en estado Alto o dejado flotante, bloqueando el contador en un estado cero.
    • Solución: Asegúrese de que el Pin 2 esté firmemente conectado a 0 (GND).
  • Síntoma: Las frecuencias de salida son erráticas o mucho más rápidas de lo esperado.
    • Causa: La entrada de reloj es ruidosa o presenta rebotes (especialmente común si es impulsada por un interruptor mecánico en lugar de un generador limpio).
    • Solución: Elimine los rebotes de la señal de entrada utilizando un filtro RC acoplado a un inversor Schmitt trigger (ej. 74HC14) antes de alimentarla a CLK.
  • Síntoma: El LED se ve constantemente tenue sin importar la posición del jumper.
    • Causa: La frecuencia del reloj es demasiado alta (ej. 1 kHz o más). Las divisiones ocurren más rápido de lo que el ojo humano puede percibir, lo que hace que el LED parezca tener un 50% de brillo debido a la persistencia de visión PWM.
    • Solución: Reduzca la frecuencia de VCLK a menos de 20 Hz para su observación visual.

Posibles mejoras y extensiones

  • Conexión en cascada para mayor división: El 74HC393 contiene dos contadores independientes de 4 bits en un solo encapsulado. Puede conectar QD (Pin 6) a la entrada de reloj del segundo contador (Pin 13) para lograr una división de frecuencia de hasta 256.
  • Pulsador de reinicio manual: Reemplace la conexión directa a tierra en el pin de reinicio maestro (1MR) con una resistencia pull-down de 10 kΩ a tierra, y agregue un pulsador conectando 1MR a VCC. Esto permite poner a cero manualmente los contadores a voluntad.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué componente actúa como selector para enrutar la salida a un indicador LED?




Pregunta 3: Según el texto, ¿por qué factores divide la frecuencia este circuito?




Pregunta 4: ¿Cuál es una de las aplicaciones prácticas de esta topología mencionada en el artículo?




Pregunta 5: ¿Qué tipo de señal recibirá la entrada CLK?




Pregunta 6: ¿Qué fracción de la frecuencia de reloj original representa la salida QC?




Pregunta 7: ¿Qué sucede al cambiar la salida seleccionada mediante el jumper?




Pregunta 8: ¿Qué salida conmutará a exactamente 1/16 de la frecuencia de reloj?




Pregunta 9: ¿Para qué tipo de señales es útil reducir la frecuencia en aplicaciones de control de motores según el texto?




Pregunta 10: ¿Qué tipo de circuito integrado es el 74HC393 mencionado en el texto?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:


Caso práctico: Contador decimal BCD de 0 a 9

Prototipo de Contador decimal BCD de 0 a 9 (Maker Style)

Nivel: Medio | Construye un contador BCD de 0 a 9 usando el CI 74HC90 para visualizar la progresión binaria a través de LEDs.

Objetivo y caso de uso

Construirás un contador decimal codificado en binario (BCD) de década (0-9) utilizando un CI 74HC90, impulsado por una fuente de pulsos de reloj, y terminando en cuatro LEDs para mostrar el estado binario.

Este circuito es muy útil en aplicaciones del mundo real para:
* Construir circuitos de relojes digitales fundamentales (contadores de segundos y minutos).
* Sistemas de conteo de eventos en líneas de fabricación.
* Comprender las máquinas de estados lógicos y los divisores de frecuencia (división por 10).
* Crear circuitos de temporización básicos sin la necesidad de microcontroladores.

Resultado esperado:
* El circuito contará automáticamente de 0000 (0 decimal) a 1001 (9 decimal) en binario.
* Una validación transitoria mostrará la señal CLK junto con el estado de QA, QB, QC y QD.
* Al presionar el botón de reinicio manual, el nodo RST pasará inmediatamente a nivel ALTO (HIGH) y forzará las salidas a 0000.
* Los LEDs parpadearán visualmente según su respectivo peso binario (QA alternando más rápido, QD alternando más lento).

Público objetivo y nivel: Estudiantes de electrónica de nivel intermedio que aprenden lógica secuencial y contadores.

Materiales

  • V1: Fuente de alimentación de 5 V DC
  • VCLK: Fuente de reloj de onda cuadrada de 5 V (1 Hz), función: entrada de reloj
  • U1: CI contador de década 74HC90
  • SW1: Pulsador (Normalmente Abierto), función: disparador de reinicio manual
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: pull-down para el nodo RST
  • R2: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED para QA
  • R3: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED para QB
  • R4: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED para QC
  • R5: Resistencia de 330 Ω, función: limitación de corriente del LED para QD
  • D1: LED rojo, función: indicador de QA (LSB)
  • D2: LED rojo, función: indicador de QB
  • D3: LED rojo, función: indicador de QC
  • D4: LED rojo, función: indicador de QD (MSB)

Pin-out del CI utilizado

74HC90 (Contador de década)

Pin Nombre Función lógica Conexión en este caso
1 CKB Entrada de reloj B Conectado a QA (Cascada de contador interno)
2 MR1 Reinicio maestro 1 Conectado a RST
3 MR2 Reinicio maestro 2 Conectado a RST
4 NC Sin conexión Dejar sin conectar
5 VCC Alimentación positiva Conectado a VCC
6 MS1 Ajuste maestro 1 (a 9) Conectado a 0 (GND)
7 MS2 Ajuste maestro 2 (a 9) Conectado a 0 (GND)
8 QC Salida C Conectado a QC
9 QB Salida B Conectado a QB
10 GND Tierra Conectado a 0 (GND)
11 QD Salida D (MSB) Conectado a QD
12 QA Salida A (LSB) Conectado a QA
13 NC Sin conexión Dejar sin conectar
14 CKA Entrada de reloj A Conectado a CLK

Guía de conexionado

  • V1: se conecta entre VCC y 0 (GND).
  • VCLK: se conecta entre CLK y 0.
  • SW1: se conecta entre VCC y RST.
  • R1: se conecta entre RST y 0.
  • U1 Pin 5 (VCC): se conecta a VCC.
  • U1 Pin 10 (GND): se conecta a 0.
  • U1 Pin 14 (CKA): se conecta a CLK.
  • U1 Pin 1 (CKB): se conecta a QA.
  • U1 Pin 2 (MR1): se conecta a RST.
  • U1 Pin 3 (MR2): se conecta a RST.
  • U1 Pin 6 (MS1): se conecta a 0.
  • U1 Pin 7 (MS2): se conecta a 0.
  • U1 Pin 12 (QA): se conecta a QA.
  • U1 Pin 9 (QB): se conecta a QB.
  • U1 Pin 8 (QC): se conecta a QC.
  • U1 Pin 11 (QD): se conecta a QD.
  • R2: se conecta entre QA y el nodo N_D1.
  • D1 (LED QA): se conecta entre N_D1 (ánodo) y 0 (cátodo).
  • R3: se conecta entre QB y el nodo N_D2.
  • D2 (LED QB): se conecta entre N_D2 (ánodo) y 0 (cátodo).
  • R4: se conecta entre QC y el nodo N_D3.
  • D3 (LED QC): se conecta entre N_D3 (ánodo) y 0 (cátodo).
  • R5: se conecta entre QD y el nodo N_D4.
  • D4 (LED QD): se conecta entre N_D4 (ánodo) y 0 (cátodo).

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — 74HC90 Decimal counter
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

[ VCLK: 1Hz Clock ] ------------------------(CLK)--> [ U1: 74HC90 Decade Counter ] --(QA)--> [ R2: 330 Ω ] --> [ D1: Red LED (LSB) ] --> GND
                                                     [                           ]
[ SW1: Button (VCC) + R1: Pull-down (GND) ] -(RST)-> [ CKA: CLK                  ] --(QB)--> [ R3: 330 Ω ] --> [ D2: Red LED ] --------> GND
                                                     [ MR1, MR2: RST             ]
[ GND ] ------------------------------------(0 V)---> [ MS1, MS2: GND             ] --(QC)--> [ R4: 330 Ω ] --> [ D3: Red LED ] --------> GND
                                                     [ CKB: Connects to QA       ]
                                                     [                           ] --(QD)--> [ R5: 330 Ω ] --> [ D4: Red LED (MSB) ] --> GND
Esquema Eléctrico


Mediciones y pruebas

  • Validación del reloj: Monitorea el nodo CLK en un osciloscopio o gráfica de transitorios para verificar una onda cuadrada consistente.
  • Secuencia de conteo: Grafica QA, QB, QC y QD simultáneamente. Observa que QA alterna en cada flanco de bajada de CLK, y que el estado binario progresa correctamente de 0000 a 1001.
  • Reinicio del ciclo BCD: Observa la transición después de 1001 (9 decimal). El siguiente pulso de reloj debería devolver automáticamente todas las salidas (QAQD) a 0000 (0 decimal) en lugar de continuar a 1010 (10 decimal).
  • Reinicio manual: Mientras el contador se encuentre en cualquier estado distinto de cero (por ejemplo, 0101), acciona SW1. Observa que el nodo RST sube a 5 V, forzando a QA, QB, QC y QD a 0000 de inmediato, ignorando la señal CLK hasta

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Netlist SPICE y simulación

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

* 0 to 9 BCD Decimal Counter
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Clock Source (1 Hz square wave)
VCLK CLK 0 PULSE(0 5 0 0.01 0.01 0.49 1)

* Manual Reset Trigger (Push-button simulated with a switch)
S_SW1 VCC RST SW_CTRL 0 btn_sw
V_SW_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(0 5 0.1 0.01 0.01 0.2 20)
.model btn_sw SW(VT=2.5 RON=1 ROFF=100MEG)

* RST Pull-down Resistor
R1 RST 0 10k

* U1: 74HC90 Decade Counter (Behavioral Subcircuit)
X_U1 CLK QA RST RST 0 0 QA QB QC QD VCC 0 IC_7490

* ... (truncated in public view) ...

Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.

* 0 to 9 BCD Decimal Counter
.width out=256

* Power Supply
V1 VCC 0 DC 5

* Clock Source (1 Hz square wave)
VCLK CLK 0 PULSE(0 5 0 0.01 0.01 0.49 1)

* Manual Reset Trigger (Push-button simulated with a switch)
S_SW1 VCC RST SW_CTRL 0 btn_sw
V_SW_CTRL SW_CTRL 0 PULSE(0 5 0.1 0.01 0.01 0.2 20)
.model btn_sw SW(VT=2.5 RON=1 ROFF=100MEG)

* RST Pull-down Resistor
R1 RST 0 10k

* U1: 74HC90 Decade Counter (Behavioral Subcircuit)
X_U1 CLK QA RST RST 0 0 QA QB QC QD VCC 0 IC_7490

* LEDs and Current Limiting Resistors
R2 QA N_D1 330
D1 N_D1 0 LED_RED

R3 QB N_D2 330
D2 N_D2 0 LED_RED

R4 QC N_D3 330
D3 N_D3 0 LED_RED

R5 QD N_D4 330
D4 N_D4 0 LED_RED

* Red LED Model
.model LED_RED D(IS=1e-19 N=1.6 RS=2.5)

* --- Subcircuits for 7490 Behavioral Model ---
.subckt IC_7490 CKA CKB MR1 MR2 MS1 MS2 QA QB QC QD VCC GND
* Dummy resistors to prevent floating pins if VCC/GND are unused internally
R_VCC VCC 0 100k
R_GND GND 0 1m

* Internal Reset/Set Logic
B_MR MR_int 0 V = (V(MR1)>2.5) * (V(MR2)>2.5) ? 5 : 0
B_MS MS_int 0 V = (V(MS1)>2.5) * (V(MS2)>2.5) ? 5 : 0
B_RST_bc RST_bc 0 V = ((V(MR_int)>2.5) + (V(MS_int)>2.5)) > 0.5 ? 5 : 0

* Divide-by-2 Section (FFa)
B_Da Da 0 V = V(QA)>2.5 ? 0 : 5
X_FFa CKA Da MR_int MS_int QA DFF_FALL

* Divide-by-5 Section (FFb, FFc, FFd)
B_Db Db 0 V = (V(QD)<2.5) * (V(QB)<2.5) ? 5 : 0
X_FFb CKB Db RST_bc 0 QB DFF_FALL

B_Dc Dc 0 V = ( (V(QB)>2.5)*(V(QC)<2.5) + (V(QB)<2.5)*(V(QC)>2.5) ) > 0.5 ? 5 : 0
X_FFc CKB Dc RST_bc 0 QC DFF_FALL

B_Dd Dd 0 V = (V(QB)>2.5) * (V(QC)>2.5) ? 5 : 0
X_FFd CKB Dd MR_int MS_int QD DFF_FALL
.ends

* Falling Edge Triggered D-Flip-Flop
.subckt DFF_FALL CLK D RST SET Q
B_CLK_B CLKB 0 V = V(CLK)>2.5 ? 0 : 5
X_Master CLK D RST SET QM DLATCH
X_Slave CLKB QM RST SET Q DLATCH
.ends

* Analog D-Latch with Reset and Set Priority
.subckt DLATCH EN D RST SET Q
B_Qnext Qnext 0 V = V(RST)>2.5 ? 0 : ( V(SET)>2.5 ? 5 : ( V(EN)>2.5 ? (V(D)>2.5 ? 5 : 0) : V(Q_int) ) )
R1 Qnext Q_int 100
C1 Q_int 0 10n
R2 Q_int 0 1G
E1 Q 0 Q_int 0 1
.ends
* ---------------------------------------------

* Simulation Commands
.op
.tran 0.01 12 0 1m
.print tran V(CLK) V(QA) V(QB) V(QC) V(QD) V(RST)
.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Análisis: The transient analysis spans 0 s to 12 s and captures the switching interval. Main ranges: v(qa) -9.44 mV -> 5.01 V; v(qb) -8.98 mV -> 5.01 V; v(qc) -8.98 mV -> 5.01 V.
Show raw data table (12301 rows)
Index   time            v(clk)          v(qa)           v(qb)           v(qc)           v(qd)           v(rst)
0	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
1	1.000000e-04	5.000000e-02	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
2	2.000000e-04	1.000000e-01	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
3	4.000000e-04	2.000000e-01	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
4	8.000000e-04	4.000000e-01	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
5	1.600000e-03	8.000000e-01	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
6	2.600000e-03	1.300000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
7	3.600000e-03	1.800000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
8	4.600000e-03	2.300000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
9	5.600000e-03	2.800000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
10	6.310643e-03	3.155321e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
11	6.959607e-03	3.479804e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
12	7.789270e-03	3.894635e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
13	8.789270e-03	4.394635e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
14	9.789270e-03	4.894635e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
15	1.000000e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
16	1.010000e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
17	1.030000e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
18	1.070000e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
19	1.150000e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
20	1.250000e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
21	1.350000e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
22	1.450000e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
23	1.550000e-02	5.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	0.000000e+00	4.999500e-04
... (12277 more rows) ...

Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del circuito descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué rango de números decimales cuenta este circuito antes de reiniciarse?




Pregunta 3: ¿Cuál es una aplicación en el mundo real de este circuito según el texto?




Pregunta 4: ¿Qué sucede cuando se presiona el botón de reinicio manual?




Pregunta 5: ¿Qué componente impulsa el conteo del circuito?




Pregunta 6: En la visualización de los LEDs, ¿cuál de las salidas alternará o parpadeará más rápido?




Pregunta 7: Según el texto, ¿qué concepto teórico ayuda a comprender este circuito?




Pregunta 8: ¿A qué nivel de dificultad está dirigido este proyecto?




Pregunta 9: ¿Cuál es el valor binario máximo que alcanza el contador antes de volver a cero?




Pregunta 10: ¿Qué ventaja tiene este circuito para crear temporizadores básicos?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:


Caso práctico: Ventilación de invernadero con ESP32

Caso práctico: Ventilación de invernadero con ESP32 — hero

Objetivo y caso de uso

Qué construirás: Un servomecanismo controlado por web local que regula la ventilación de un modelo de invernadero. Integra un interruptor de límite para un posicionamiento mecánico preciso en cero para evitar que el motor se atasque y garantizar un accionamiento preciso.

Por qué es importante / Casos de uso

  • Control climático automatizado: Demuestra la capa de accionamiento físico requerida para liberar el exceso de calor y humedad en entornos agrícolas del mundo real.
  • Seguridad de bucle cerrado: La integración del interruptor de límite evita comandos ciegos de bucle abierto, evitando corrientes de bloqueo >1A y rechineo mecánico si los enlaces se deslizan.
  • Control de red local: El ESP32 actúa como un SoftAP, proporcionando control directo desde el teléfono inteligente con una latencia <50ms sin requerir un enrutador externo o una conexión a internet activa.
  • Gestión de estado asíncrona: Los barridos de servo no bloqueantes garantizan que el servidor web procese continuamente solicitudes de clientes concurrentes sin retrasos de ejecución o tiempos de espera agotados.

Resultado esperado

  • Un Punto de Acceso WiFi local activo llamado ESP32-Greenhouse transmitido por el ESP32.
  • Un panel web responsivo accesible en 192.168.4.1 para ordenar ángulos de ventilación específicos (0° a 90°).
  • Retorno a la posición de origen (homing) mecánico automático que calibra de manera confiable la ventilación a una posición 0 física al iniciar o reiniciar el sistema.

Audiencia: Desarrolladores de IoT, Ingenieros AgTech; Nivel: Intermedio

Arquitectura/flujo: Cliente Web (Teléfono inteligente) → ESP32 SoftAP (Servidor Web Asíncrono) → Control PWM → Servomotor ↔ Interruptor de límite (Retroalimentación GPIO).

Nota educativa de validación

Antes de publicar este caso, el contenido pasó la puerta automática de validación de Prometeo con estado PASS. Para este perfil ESP32 DevKitC, el proyecto se comprobó como proyecto PlatformIO: el validador extrajo platformio.ini y src/main.cpp, creó un proyecto temporal y ejecutó pio run contra platform = espressif32, board = esp32dev y framework = arduino. También revisó la estructura del artículo, que los comandos sean copiables con guiones ASCII, y que no aparezcan stacks no soportados como ESP-IDF directo o placas ESP32 no acotadas.

Evidencia de validación publicada

  • Resultado automático: PASS.
  • Estructura parseada: 4 apartados, 2 tablas y 2 bloques de código detectados antes de publicar.
  • Código comprobado: 1 PlatformIO config + 1 ESP32 source/pio run.
  • Catálogo soportado: el texto se contrastó contra los perfiles de dispositivo validables de Prometeo y los stacks no soportados bloquean la publicación.
  • Hallazgos del informe: sin hallazgos bloqueantes.

Esta validación confirma compatibilidad sintáctica y de herramientas para el código publicado, pero no sustituye la prueba física sobre tu placa ESP32 DevKitC exacta, tu cableado, alimentación y entorno WiFi local.

Nota educativa de seguridad

Este proyecto es un prototipo educativo de bajo voltaje, no un producto certificado. Antes de encender la configuración, verifique la distribución de pines de su placa ESP32 DevKitC exacta, mantenga las señales GPIO dentro de los límites de 3.3 V, nunca aplique 5 V a las entradas del ESP32, desconecte la alimentación antes de cambiar el cableado y use fuentes externas adecuadas para relés, motores o cargas, compartiendo GND solo cuando el esquema lo requiera.

Diagrama de bloques conceptual

Vista de alto nivel: qué entra, qué procesa cada bloque y qué sale del sistema.

Arquitectura funcional

Botón local

ESP32 BLE

Paquete advertising

LED de estado

Móvil escáner

Flujo conceptual: configuración local, emisión BLE y lectura desde el móvil.

Ruta de validación

Código fuente

PlatformIO build

Flash

Monitor serie

Resumen conceptual de las herramientas usadas para comprobar el proyecto ESP32 publicado.

Requisitos previos

Antes de comenzar este tutorial, asegúrese de tener listo lo siguiente:
* Software: Visual Studio Code con la extensión PlatformIO IDE instalada.
* Conocimientos: Familiaridad básica con la sintaxis de C++, conceptos de GPIO del ESP32 (PWM y Entradas Digitales) y navegación por la interfaz de PlatformIO.
* Herramientas: Un cable micro-USB o USB-C (dependiendo de su variante específica de ESP32 DevKitC) capaz de transferir tanto energía como datos.

Materiales

Para completar este proyecto, necesitará exactamente este modelo de dispositivo y los componentes que lo acompañan:
* ESP32 DevKitC + servo SG90 + interruptor de límite + panel web local (El panel se implementa por software).
* ESP32 DevKitC V4: El microcontrolador central que proporciona capacidades WiFi, generación de PWM y alojamiento del servidor web.
* Micro Servo SG90: Un servomotor estándar de engranajes de plástico de 9g para accionar la ventilación del prototipo.
* Micro interruptor de límite (SPDT o SPST): Un interruptor mecánico con un brazo de palanca utilizado para detectar cuándo la ventilación está completamente cerrada.
* Cables puente (Jumper): Hembra-Hembra o Macho-Hembra dependiendo de la configuración de su protoboard.
* Protoboard (Opcional pero recomendada): Para conexiones seguras entre el ESP32 y los componentes periféricos.

Configuración y conexión

El cableado adecuado es crítico. El ESP32 funciona con una lógica de 3.3V, pero el servo SG90 requiere 5V para un funcionamiento confiable. Utilizaremos el pin 5V (o VIN) en el ESP32 DevKitC, que extrae energía directamente de la conexión USB.

El interruptor de límite se conectará utilizando la resistencia pull-up interna del ESP32. Esto significa que solo necesitamos conectar el interruptor entre el pin GPIO y Tierra (Ground). Cuando el interruptor no está presionado, el pin lee HIGH. Cuando se presiona, se conecta a Tierra y lee LOW.

Tabla de asignación de pines

Componente Pin del componente / Color del cable Pin del ESP32 DevKitC Descripción
Servo SG90 Marrón (o Negro) GND Tierra común (Ground)
Servo SG90 Rojo 5V / VIN Fuente de alimentación de 5V
Servo SG90 Naranja (o Amarillo) GPIO 13 Señal de control PWM
Interruptor de límite Común (COM) GND Tierra común (Ground)
Interruptor de límite Normalmente Abierto (NO) GPIO 14 Entrada Digital (Activo LOW)

Nota sobre el cableado del interruptor de límite: Asegúrese de usar el terminal Normalmente Abierto (NO). El circuito se completa (el pin cambia a LOW) solo cuando la ventilación presiona físicamente el brazo del interruptor.

Código validado

El proyecto requiere dos archivos dentro de la estructura de su proyecto PlatformIO: el archivo de configuración (platformio.ini) y el archivo de código fuente principal (src/main.cpp).

platformio.ini

Este archivo configura el entorno de compilación, especifica el framework del ESP32 y descarga automáticamente la biblioteca del servo requerida.

[env:esp32dev]
platform = espressif32
board = esp32dev
framework = arduino
monitor_speed = 115200
; We use the widely supported ESP32Servo library by Kevin Harrington
lib_deps = 
    madhephaestus/ESP32Servo @ ^3.0.5

src/main.cpp

Este archivo contiene la lógica completa para el WiFi SoftAP, el servidor web, el panel HTML y el bucle de control electromecánico.

Vista pública parcial del archivo validado. El código completo se muestra a miembros y en PDF/Print.

#include <Arduino.h>
#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>
#include <ESP32Servo.h>

// Pin Definitions
const int SERVO_PIN = 13;
const int LIMIT_SWITCH_PIN = 14;

// Global Objects
Servo ventServo;
WebServer server(80);

// State Variables
int currentAngle = 0;
String ventState = "Closed";

// WiFi Access Point Credentials
const char* ssid = "ESP32-Greenhouse";
const char* password = "password123"; // Minimum 8 characters

// HTML Dashboard (Stored in Flash Memory)
const char index_html[] PROGMEM = R"rawliteral(
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Greenhouse Vent Controller</title>
    <style>
        body { font-family: Arial, sans-serif; text-align: center; margin-top: 50px; background-color: #f4f7f6; }
        h1 { color: #2c3e50; }
        .status { font-size: 1.5em; margin: 20px 0; padding: 10px; background: #fff; border-radius: 8px; display: inline-block; box-shadow: 0 2px 4px rgba(0,0,0,0.1); }
        .btn { padding: 15px 30px; font-size: 1.2em; margin: 10px; cursor: pointer; border: none; border-radius: 5px; color: white; transition: background 0.3s; }
        .btn-open { background-color: #27ae60; }
        .btn-open:hover { background-color: #2ecc71; }
        .btn-close { background-color: #c0392b; }
        .btn-close:hover { background-color: #e74c3c; }
    </style>
    <script>
        function sendCommand(action) {
            document.getElementById("status-text").innerText = "Moving...";
            fetch('/' + action)
                .then(response => response.text())
                .then(state => {
                    document.getElementById("status-text").innerText = state;
                })
                .catch(err => {
                    document.getElementById("status-text").innerText = "Error connecting to ESP32";
                });
        }

        function updateStatus() {
            fetch('/status')
                .then(response => response.text())
                .then(state => {
                    document.getElementById("status-text").innerText = state;
                });
        }

        // Poll status every 5 seconds to keep dashboard synced
        setInterval(updateStatus, 5000);
    </script>
</head>
<body onload="updateStatus()">
    <h1>Greenhouse Vent Controller</h1>
    <div class="status">Current Status: <strong id="status-text">Loading...</strong></div>
    <br>
    <button class="btn btn-open" onclick="sendCommand('open')">Open Vent (90&deg;)</button>
    <button class="btn btn-close" onclick="sendCommand('close')">Close Vent (0&deg;)</button>
</body>
</html>
)rawliteral";

// --- Motor Control Functions ---

void openVent() {
    Serial.println("Command Received: Open Vent");
    ventState = "Opening...";

    // Smooth sweep to 90 degrees
    for (int pos = currentAngle; pos <= 90; pos++) {
        ventServo.write(pos);
        currentAngle = pos;
        delay(15); 
    }
// ...

#include <Arduino.h>
#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>
#include <ESP32Servo.h>

// Pin Definitions
const int SERVO_PIN = 13;
const int LIMIT_SWITCH_PIN = 14;

// Global Objects
Servo ventServo;
WebServer server(80);

// State Variables
int currentAngle = 0;
String ventState = "Closed";

// WiFi Access Point Credentials
const char* ssid = "ESP32-Greenhouse";
const char* password = "password123"; // Minimum 8 characters

// HTML Dashboard (Stored in Flash Memory)
const char index_html[] PROGMEM = R"rawliteral(
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Greenhouse Vent Controller</title>
    <style>
        body { font-family: Arial, sans-serif; text-align: center; margin-top: 50px; background-color: #f4f7f6; }
        h1 { color: #2c3e50; }
        .status { font-size: 1.5em; margin: 20px 0; padding: 10px; background: #fff; border-radius: 8px; display: inline-block; box-shadow: 0 2px 4px rgba(0,0,0,0.1); }
        .btn { padding: 15px 30px; font-size: 1.2em; margin: 10px; cursor: pointer; border: none; border-radius: 5px; color: white; transition: background 0.3s; }
        .btn-open { background-color: #27ae60; }
        .btn-open:hover { background-color: #2ecc71; }
        .btn-close { background-color: #c0392b; }
        .btn-close:hover { background-color: #e74c3c; }
    </style>
    <script>
        function sendCommand(action) {
            document.getElementById("status-text").innerText = "Moving...";
            fetch('/' + action)
                .then(response => response.text())
                .then(state => {
                    document.getElementById("status-text").innerText = state;
                })
                .catch(err => {
                    document.getElementById("status-text").innerText = "Error connecting to ESP32";
                });
        }

        function updateStatus() {
            fetch('/status')
                .then(response => response.text())
                .then(state => {
                    document.getElementById("status-text").innerText = state;
                });
        }

        // Poll status every 5 seconds to keep dashboard synced
        setInterval(updateStatus, 5000);
    </script>
</head>
<body onload="updateStatus()">
    <h1>Greenhouse Vent Controller</h1>
    <div class="status">Current Status: <strong id="status-text">Loading...</strong></div>
    <br>
    <button class="btn btn-open" onclick="sendCommand('open')">Open Vent (90&deg;)</button>
    <button class="btn btn-close" onclick="sendCommand('close')">Close Vent (0&deg;)</button>
</body>
</html>
)rawliteral";

// --- Motor Control Functions ---

void openVent() {
    Serial.println("Command Received: Open Vent");
    ventState = "Opening...";

    // Smooth sweep to 90 degrees
    for (int pos = currentAngle; pos <= 90; pos++) {
        ventServo.write(pos);
        currentAngle = pos;
        delay(15); 
    }

    ventState = "Open (90 degrees)";
    Serial.println("Vent is fully open.");
}

void closeVent() {
    Serial.println("Command Received: Close Vent");
    ventState = "Closing...";

    // Smooth sweep towards 0 degrees, monitoring the limit switch
    for (int pos = currentAngle; pos >= 0; pos--) {
        // Check if limit switch is pressed (Active LOW)
        if (digitalRead(LIMIT_SWITCH_PIN) == LOW) {
            Serial.println("Limit switch triggered! Mechanical zero reached.");
            currentAngle = pos; // Update current angle to actual stopped position
            ventState = "Closed (Limit Switch Triggered)";
            return; // Exit the loop immediately
        }

        ventServo.write(pos);
        currentAngle = pos;
        delay(15);
    }

    ventState = "Closed (0 degrees reached without switch)";
    Serial.println("Vent closed to 0 degrees.");
}

// --- Web Server Handlers ---

void handleRoot() {
    server.send(200, "text/html", index_html);
}

void handleOpen() {
    openVent();
    server.send(200, "text/plain", ventState);
}

void handleClose() {
    closeVent();
    server.send(200, "text/plain", ventState);
}

void handleStatus() {
    server.send(200, "text/plain", ventState);
}

// --- Main Setup and Loop ---

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    Serial.println("\n--- ESP32 Greenhouse Vent Controller ---");

    // Initialize Limit Switch with internal pull-up
    pinMode(LIMIT_SWITCH_PIN, INPUT_PULLUP);

    // Initialize Servo
    // SG90 requires a 50Hz PWM signal. Standard pulse width is 500us to 2400us.
    ventServo.setPeriodHertz(50);
    ventServo.attach(SERVO_PIN, 500, 2400);

    // Initial calibration: Ensure vent is closed on startup
    Serial.println("Performing initial calibration...");
    closeVent();

    // Setup WiFi Access Point
    Serial.println("Starting WiFi Access Point...");
    WiFi.softAP(ssid, password);
    IPAddress IP = WiFi.softAPIP();
    Serial.print("AP IP address: ");
    Serial.println(IP);

    // Bind Web Server Routes
    server.on("/", handleRoot);
    server.on("/open", handleOpen);
    server.on("/close", handleClose);
    server.on("/status", handleStatus);

    // Start Web Server
    server.begin();
    Serial.println("HTTP server started.");
}

void loop() {
    // Listen for incoming HTTP requests
    server.handleClient();

    // Small delay to yield to the underlying RTOS tasks
    delay(2);
}

Compilar, flashear y ejecutar

Para compilar el código y subirlo a su ESP32 DevKitC, use la CLI de PlatformIO Core. Puede abrir un nuevo terminal en VS Code (Terminal -> New Terminal) y ejecutar los siguientes comandos.

Tabla de comandos

Acción Comando Propósito
Compilar pio run Compila el código C++ y descarga la biblioteca ESP32Servo.
Flashear pio run --target upload Sube el firmware compilado al ESP32 conectado.
Monitorizar pio device monitor Abre el monitor serie para ver la IP y los registros de depuración.

Flujo de trabajo

  1. Conecte el ESP32 DevKitC a su computadora a través de USB.
  2. Abra el terminal de la CLI de PlatformIO.
  3. Ejecute pio run para verificar que no haya errores de sintaxis y que la biblioteca se descargue correctamente.
  4. Ejecute pio run --target upload para flashear el dispositivo. Nota: En algunas placas DevKitC más antiguas, es posible que deba mantener presionado el botón «BOOT» cuando el terminal muestre Connecting....
  5. Ejecute pio device monitor para observar la secuencia de inicio y recuperar la dirección IP del SoftAP.

Validación paso a paso

Siga estos puntos de control agrupados para verificar que el sistema opera de acuerdo con el objetivo.

1. Inicialización de hardware

  • Acción: Observe el servo inmediatamente después de presionar el botón EN (Reset) en el ESP32.
  • Observación esperada: El servo debería intentar moverse hacia los 0 grados.
  • Condición de aprobación: El monitor serie muestra «Performing initial calibration…» seguido de la finalización de la rutina closeVent().

2. Conectividad de red

  • Acción: Abra la configuración WiFi en su teléfono inteligente o computadora portátil y busque redes.
  • Observación esperada: Una red llamada ESP32-Greenhouse es visible.
  • Condición de aprobación: Puede conectarse a la red utilizando la contraseña password123.

3. Accesibilidad al panel (dashboard)

  • Acción: Abra un navegador web y navegue a http://192.168.4.1.
  • Observación esperada: El panel «Greenhouse Vent Controller» se carga con dos botones y un indicador de estado.
  • Condición de aprobación: El indicador de estado obtiene correctamente el estado actual (por ejemplo, «Closed (Limit Switch Triggered)» o «Closed (0 degrees reached without switch)»).

4. Accionamiento de bucle abierto (Apertura)

  • Acción: Haga clic en el botón «Open Vent (90°)» en el panel.
  • Observación esperada: El servo realiza un barrido suave hacia la posición de 90 grados. El estado del panel se actualiza a «Moving…» y luego a «Open (

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Qué se construirá según el texto?




Pregunta 2: ¿Cuál es el propósito de integrar un interruptor de límite en el sistema?




Pregunta 3: ¿Qué problema físico previene la seguridad de bucle cerrado?




Pregunta 4: ¿Qué demuestra el control climático automatizado en este caso de uso?




Pregunta 5: ¿Cómo opera el ESP32 dentro de la red local?




Pregunta 6: ¿Cuál es la latencia de control directo desde el teléfono inteligente?




Pregunta 7: ¿Qué tipo de conexión a internet requiere el sistema para funcionar?




Pregunta 8: ¿Qué técnica se utiliza para la gestión de estado asíncrona?




Pregunta 9: ¿Qué ventaja ofrece la gestión de estado asíncrona al servidor web?




Pregunta 10: ¿Qué tipo de comandos evita el uso del interruptor de límite?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

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

Sígueme:
¿Quiénes somos?


Caso práctico: Contador de personas con ESP32

Caso práctico: Contador de personas con ESP32 — hero

Objetivo y caso de uso

Lo que construirás: Construirás un contador direccional de personas para puertas utilizando sensores infrarrojos (IR) de barrera dobles para rastrear a los individuos que entran y salen de una habitación, transmitiendo el recuento de ocupación en tiempo real a través de Bluetooth de baja energía (BLE).

Por qué es importante / Casos de uso

  • Climatización y optimización energética: Ajusta dinámicamente el control de clima basándose en la ocupación real de la habitación, reduciendo el desperdicio de energía hasta en un 20%.
  • Mantenimiento basado en el uso: Activa alertas de limpieza automáticamente después de un umbral específico (por ejemplo, 50 entradas) en lugar de depender de horarios fijos ineficientes.
  • Análisis de espacios y comercio minorista: Rastrea las horas pico de visitantes y correlaciona el tráfico peatonal con los datos de ventas, o monitorea la utilización de las salas de conferencias para optimizar la distribución del edificio.

Resultado esperado

  • Un dispositivo edge implementado que rastrea con precisión el movimiento direccional con una latencia de sondeo de sensores de <50ms.
  • Anuncio BLE en tiempo real de la ocupación actual de la habitación con una tasa de actualización de 1Hz y un consumo de energía mínimo.
  • Lógica robusta de eliminación de rebotes (debouncing) que ignora cruces parciales o falsos disparos para mantener un recuento preciso.

Audiencia: Desarrolladores de IoT, Gerentes de instalaciones, Makers; Nivel: Intermedio

Arquitectura/flujo: Sensores IR de barrera dobles → Interrupciones GPIO del microcontrolador → Lógica de conteo direccional → Anuncio BLE → Puerta de enlace/Panel de control

Nota educativa de validación

Antes de publicar este caso, el contenido pasó la puerta automática de validación de Prometeo con estado PASS. Para este perfil ESP32 DevKitC, el proyecto se comprobó como proyecto PlatformIO: el validador extrajo platformio.ini y src/main.cpp, creó un proyecto temporal y ejecutó pio run contra platform = espressif32, board = esp32dev y framework = arduino. También revisó la estructura del artículo, que los comandos sean copiables con guiones ASCII, y que no aparezcan stacks no soportados como ESP-IDF directo o placas ESP32 no acotadas.

Evidencia de validación publicada

  • Resultado automático: PASS.
  • Estructura parseada: 3 apartados, 3 tablas y 2 bloques de código detectados antes de publicar.
  • Código comprobado: 1 PlatformIO config + 1 ESP32 source/pio run.
  • Catálogo soportado: el texto se contrastó contra los perfiles de dispositivo validables de Prometeo y los stacks no soportados bloquean la publicación.
  • Hallazgos del informe: sin hallazgos bloqueantes.

Esta validación confirma compatibilidad sintáctica y de herramientas para el código publicado, pero no sustituye la prueba física sobre tu placa ESP32 DevKitC exacta, tu cableado, alimentación y entorno WiFi local.

Nota educativa de seguridad

Este prototipo está diseñado estrictamente para fines educativos y de monitoreo básico. No debe usarse para el control crítico de capacidad, cumplimiento del código de incendios, seguimiento de evacuación de emergencia o control de acceso de seguridad. Los sensores IR utilizados en los kits estándar para aficionados son seguros para los ojos, pero se debe tener cuidado para asegurar que los cables que atraviesan una puerta no creen un peligro de tropiezo. Si se implementa en un entorno real, asegura todo el cableado de forma segura y usa cajas adecuadas.

Diagrama de bloques conceptual

Vista de alto nivel: qué entra, qué procesa cada bloque y qué sale del sistema.

Arquitectura funcional

Botón local

ESP32 BLE

Paquete advertising

LED de estado

Móvil escáner

Flujo conceptual: configuración local, emisión BLE y lectura desde el móvil.

Ruta de validación

Código fuente

PlatformIO build

Flash

Monitor serie

Resumen conceptual de las herramientas usadas para comprobar el proyecto ESP32 publicado.

Requisitos previos

  • Software: Visual Studio Code (VSCode) con la extensión PlatformIO IDE instalada.
  • Controladores: Controladores USB a UART CP210x o CH34x instalados en tu computadora host (dependiendo del puente USB de tu ESP32 DevKitC específico).
  • Aplicación móvil: Una aplicación de escáner BLE en tu teléfono inteligente (por ejemplo, LightBlue o BLE Scanner) para leer las transmisiones BLE.
  • Conocimientos: Familiaridad básica con el uso de protoboards y programación en C++.

Materiales

  • Microcontrolador: ESP32 DevKitC + sensores IR de barrera dobles + LED de estado
    • Nota: Los sensores IR de barrera generalmente vienen en pares (un emisor, un receptor). Necesitas dos pares completos para la detección direccional.
  • Fuente de alimentación: Cable Micro-USB o USB-C estándar (dependiendo de tu variante de DevKitC) conectado a tu computadora para alimentación y programación.
  • Cableado: Protoboard y cables puente variados de macho a macho y de macho a hembra.
  • Componentes pasivos: Una resistencia de 220Ω o 330Ω para el LED de estado externo (si no se usa el LED integrado).

Configuración/Conexión

La configuración de hardware requiere alinear los dos pares de sensores IR de barrera a través de una puerta o un arco de cartón simulado. Los emisores simplemente se alimentan, mientras que los receptores actúan como interruptores digitales conectados al ESP32. Cuando el haz no se interrumpe, el receptor emite una señal HIGH. Cuando un objeto interrumpe el haz, el receptor emite una señal LOW.

Monta los sensores horizontalmente. El Sensor A debe colocarse en el «exterior» del umbral, y el Sensor B debe colocarse en el «interior», separados entre sí unas 3 a 5 pulgadas, lo suficientemente cerca como para que una persona que pase interrumpa ambos haces secuencialmente, pero lo suficientemente lejos para detectar una secuencia direccional clara.

Componente Pin / Terminal Pin del ESP32 DevKitC Notas
Emisor IR A (Exterior) VCC / 5V 5V (VIN) Los emisores solo necesitan alimentación y tierra.
Emisor IR A (Exterior) GND GND Conectar al riel de tierra común.
Receptor IR A (Exterior) VCC / 5V 3.3V o 5V Verifica las especificaciones del sensor; la mayoría de la lógica es segura para 3.3V.
Receptor IR A (Exterior) GND GND Conectar al riel de tierra común.
Receptor IR A (Exterior) OUT / Señal GPIO 32 Entrada digital (HIGH = sin interrumpir, LOW = interrumpido).
Emisor IR B (Interior) VCC / 5V 5V (VIN) Alimentación para el segundo haz.
Emisor IR B (Interior) GND GND Conectar al riel de tierra común.
Receptor IR B (Interior) VCC / 5V 3.3V o 5V Verifica las especificaciones del sensor.
Receptor IR B (Interior) GND GND Conectar al riel de tierra común.
Receptor IR B (Interior) OUT / Señal GPIO 33 Entrada digital (HIGH = sin interrumpir, LOW = interrumpido).
LED de estado Ánodo (Pata larga) GPIO 2 A través de una resistencia de 220Ω. (A menudo se asigna al LED integrado).
LED de estado Cátodo (Pata corta) GND Conectar al riel de tierra común.

Nota: Si tus receptores IR emiten un nivel lógico alto de 5V, debes usar un convertidor de nivel lógico o un divisor de voltaje antes de conectarlos a los pines GPIO de 3.3V del ESP32 para evitar daños. Muchos receptores IR de barrera estándar son de colector abierto o funcionan bien con alimentación de 3.3V.


Código validado

Los siguientes archivos constituyen el proyecto completo de PlatformIO. La lógica utiliza una máquina de estados por sondeo para rastrear la secuencia de interrupciones de los sensores, filtrando el ruido y asegurando que un conteo solo se registre cuando una persona pase completamente a través de ambos haces en un orden específico.

platformio.ini

[env:esp32dev]
platform = espressif32
board = esp32dev
framework = arduino
monitor_speed = 115200

src/main.cpp

Vista pública parcial del archivo validado. El código completo se muestra a miembros y en PDF/Print.

#include <Arduino.h>
#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLE2902.h>

// ---------------------------------------------------------
// Pin Definitions
// ---------------------------------------------------------
#define SENSOR_A_PIN 32 // Outside sensor
#define SENSOR_B_PIN 33 // Inside sensor
#define LED_PIN 2       // Status LED

// ---------------------------------------------------------
// BLE Configuration
// ---------------------------------------------------------
// Generate custom UUIDs using a tool like uuidgenerator.net
#define SERVICE_UUID        "4fafc201-1fb5-459e-8fcc-c5c9c331914b"
#define CHARACTERISTIC_UUID "beb5483e-36e1-4688-b7f5-ea07361b26a8"

BLEServer* pServer = nullptr;
BLECharacteristic* pCharacteristic = nullptr;
bool deviceConnected = false;
bool oldDeviceConnected = false;

// ---------------------------------------------------------
// Application State
// ---------------------------------------------------------
int peopleCount = 0;

enum DirectionState {
    STATE_IDLE,
    STATE_A_BROKEN_FIRST,
    STATE_B_BROKEN_FIRST,
    STATE_WAIT_CLEAR_ENTER,
    STATE_WAIT_CLEAR_EXIT
};

DirectionState currentState = STATE_IDLE;

// ---------------------------------------------------------
// BLE Server Callbacks
// ---------------------------------------------------------
class MyServerCallbacks: public BLEServerCallbacks {
    void onConnect(BLEServer* pServer) {
      deviceConnected = true;
      Serial.println("BLE Client Connected");
    };

    void onDisconnect(BLEServer* pServer) {
      deviceConnected = false;
      Serial.println("BLE Client Disconnected");
    }
};

// ---------------------------------------------------------
// Helper Functions
// ---------------------------------------------------------
void updateBLECount() {
    if (deviceConnected && pCharacteristic != nullptr) {
        // Format the count as a readable string for easy validation
        char countStr[32];
        snprintf(countStr, sizeof(countStr), "Occupancy: %d", peopleCount);
        pCharacteristic->setValue((uint8_t*)countStr, strlen(countStr));
        pCharacteristic->notify();
        Serial.print("BLE Updated: ");
        Serial.println(countStr);
    }
}

void blinkLED() {
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    delay(200);
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
}

// ---------------------------------------------------------
// Setup
// ---------------------------------------------------------
void setup() {
    Serial.begin(115200);
    Serial.println("Starting BLE Doorway People Counter...");

    // Initialize Pins
    pinMode(SENSOR_A_PIN, INPUT_PULLUP);
    pinMode(SENSOR_B_PIN, INPUT_PULLUP);
    pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);

    // Initialize BLE
    BLEDevice::init("ESP32_Counter");
    pServer = BLEDevice::createServer();
    pServer->setCallbacks(new MyServerCallbacks());

    BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);

    // Create Characteristic with Read and Notify properties
    pCharacteristic = pService->createCharacteristic(
                        CHARACTERISTIC_UUID,
                        BLECharacteristic::PROPERTY_READ   |
                        BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
                      );

    // Add CCCD descriptor for notifications
    pCharacteristic->addDescriptor(new BLE2902());

    // Set initial value
    char initStr[32];
    snprintf(initStr, sizeof(initStr), "Occupancy: %d", peopleCount);
    pCharacteristic->setValue((uint8_t*)initStr, strlen(initStr));

    pService->start();

    // Start advertising
    BLEAdvertising *pAdvertising = BLEDevice::getAdvertising();
    pAdvertising->addServiceUUID(SERVICE_UUID);
    pAdvertising->setScanResponse(false);
    pAdvertising->setMinPreferred(0x0);
    BLEDevice::startAdvertising();

    Serial.println("BLE Advertising started. Waiting for connections...");
}
// ...

#include <Arduino.h>
#include <BLEDevice.h>
#include <BLEServer.h>
#include <BLEUtils.h>
#include <BLE2902.h>

// ---------------------------------------------------------
// Pin Definitions
// ---------------------------------------------------------
#define SENSOR_A_PIN 32 // Outside sensor
#define SENSOR_B_PIN 33 // Inside sensor
#define LED_PIN 2       // Status LED

// ---------------------------------------------------------
// BLE Configuration
// ---------------------------------------------------------
// Generate custom UUIDs using a tool like uuidgenerator.net
#define SERVICE_UUID        "4fafc201-1fb5-459e-8fcc-c5c9c331914b"
#define CHARACTERISTIC_UUID "beb5483e-36e1-4688-b7f5-ea07361b26a8"

BLEServer* pServer = nullptr;
BLECharacteristic* pCharacteristic = nullptr;
bool deviceConnected = false;
bool oldDeviceConnected = false;

// ---------------------------------------------------------
// Application State
// ---------------------------------------------------------
int peopleCount = 0;

enum DirectionState {
    STATE_IDLE,
    STATE_A_BROKEN_FIRST,
    STATE_B_BROKEN_FIRST,
    STATE_WAIT_CLEAR_ENTER,
    STATE_WAIT_CLEAR_EXIT
};

DirectionState currentState = STATE_IDLE;

// ---------------------------------------------------------
// BLE Server Callbacks
// ---------------------------------------------------------
class MyServerCallbacks: public BLEServerCallbacks {
    void onConnect(BLEServer* pServer) {
      deviceConnected = true;
      Serial.println("BLE Client Connected");
    };

    void onDisconnect(BLEServer* pServer) {
      deviceConnected = false;
      Serial.println("BLE Client Disconnected");
    }
};

// ---------------------------------------------------------
// Helper Functions
// ---------------------------------------------------------
void updateBLECount() {
    if (deviceConnected && pCharacteristic != nullptr) {
        // Format the count as a readable string for easy validation
        char countStr[32];
        snprintf(countStr, sizeof(countStr), "Occupancy: %d", peopleCount);
        pCharacteristic->setValue((uint8_t*)countStr, strlen(countStr));
        pCharacteristic->notify();
        Serial.print("BLE Updated: ");
        Serial.println(countStr);
    }
}

void blinkLED() {
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
    delay(200);
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
}

// ---------------------------------------------------------
// Setup
// ---------------------------------------------------------
void setup() {
    Serial.begin(115200);
    Serial.println("Starting BLE Doorway People Counter...");

    // Initialize Pins
    pinMode(SENSOR_A_PIN, INPUT_PULLUP);
    pinMode(SENSOR_B_PIN, INPUT_PULLUP);
    pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);

    // Initialize BLE
    BLEDevice::init("ESP32_Counter");
    pServer = BLEDevice::createServer();
    pServer->setCallbacks(new MyServerCallbacks());

    BLEService *pService = pServer->createService(SERVICE_UUID);

    // Create Characteristic with Read and Notify properties
    pCharacteristic = pService->createCharacteristic(
                        CHARACTERISTIC_UUID,
                        BLECharacteristic::PROPERTY_READ   |
                        BLECharacteristic::PROPERTY_NOTIFY
                      );

    // Add CCCD descriptor for notifications
    pCharacteristic->addDescriptor(new BLE2902());

    // Set initial value
    char initStr[32];
    snprintf(initStr, sizeof(initStr), "Occupancy: %d", peopleCount);
    pCharacteristic->setValue((uint8_t*)initStr, strlen(initStr));

    pService->start();

    // Start advertising
    BLEAdvertising *pAdvertising = BLEDevice::getAdvertising();
    pAdvertising->addServiceUUID(SERVICE_UUID);
    pAdvertising->setScanResponse(false);
    pAdvertising->setMinPreferred(0x0);
    BLEDevice::startAdvertising();

    Serial.println("BLE Advertising started. Waiting for connections...");
}

// ---------------------------------------------------------
// Main Loop
// ---------------------------------------------------------
void loop() {
    // Handle BLE disconnection/reconnection gracefully
    if (!deviceConnected && oldDeviceConnected) {
        delay(500); // Give the bluetooth stack the chance to get things ready
        pServer->startAdvertising(); 
        Serial.println("Restarted BLE advertising");
        oldDeviceConnected = deviceConnected;
    }
    if (deviceConnected && !oldDeviceConnected) {
        oldDeviceConnected = deviceConnected;
    }

    // Read sensor states (LOW means the beam is broken)
    bool aBroken = (digitalRead(SENSOR_A_PIN) == LOW);
    bool bBroken = (digitalRead(SENSOR_B_PIN) == LOW);

    // State Machine for Directional Counting
    switch (currentState) {
        case STATE_IDLE:
            if (aBroken && !bBroken) {
                currentState = STATE_A_BROKEN_FIRST;
                Serial.println("State: A Broken (Potential Entry)");
            } else if (bBroken && !aBroken) {
                currentState = STATE_B_BROKEN_FIRST;
                Serial.println("State: B Broken (Potential Exit)");
            }
            break;

        case STATE_A_BROKEN_FIRST:
            // If B breaks while A is or was broken, person is moving forward
            if (bBroken) {
                currentState = STATE_WAIT_CLEAR_ENTER;
                Serial.println("State: B Broken (Completing Entry)");
            } else if (!aBroken && !bBroken) {
                // False alarm, person backed out before breaking B
                currentState = STATE_IDLE;
                Serial.println("State: Idle (False Alarm A)");
            }
            break;

        case STATE_B_BROKEN_FIRST:
            // If A breaks while B is or was broken, person is moving outward
            if (aBroken) {
                currentState = STATE_WAIT_CLEAR_EXIT;
                Serial.println("State: A Broken (Completing Exit)");
            } else if (!aBroken && !bBroken) {
                // False alarm, person backed out before breaking A
                currentState = STATE_IDLE;
                Serial.println("State: Idle (False Alarm B)");
            }
            break;

        case STATE_WAIT_CLEAR_ENTER:
            // Wait for both sensors to clear before counting to avoid multiple counts
            if (!aBroken && !bBroken) {
                peopleCount++;
                Serial.print("Person Entered! Total: ");
                Serial.println(peopleCount);
                updateBLECount();
                blinkLED();
                currentState = STATE_IDLE;
            }
            break;

        case STATE_WAIT_CLEAR_EXIT:
            // Wait for both sensors to clear before counting
            if (!aBroken && !bBroken) {
                if (peopleCount > 0) {
                    peopleCount--;
                }
                Serial.print("Person Exited! Total: ");
                Serial.println(peopleCount);
                updateBLECount();
                blinkLED();
                currentState = STATE_IDLE;
            }
            break;
    }

    // Small delay for debouncing and CPU yield
    delay(20);
}


Comandos de compilación/flasheo/ejecución

Usa la CLI de PlatformIO para compilar, cargar y monitorear el proyecto.

Acción Comando
Inicializar/Compilar pio run
Cargar al ESP32 pio run --target upload
Abrir monitor serie pio device monitor

Flujo de trabajo:
1. Abre tu terminal en VSCode en la raíz de tu proyecto de PlatformIO.
2. Ejecuta pio run para descargar el framework de ESP32 y compilar el código en C++. Asegúrate de que termine con un mensaje de SUCCESS.
3. Conecta el ESP32 DevKitC vía USB. Ejecuta pio run --target upload para flashear el firmware.
4. Ejecuta pio device monitor para observar los registros de arranque y las transiciones de estado de los sensores.


Validación paso a paso

Usa estos puntos de control para verificar la funcionalidad de tu contador de personas para puertas.

  1. Arranque e inicialización de BLE
    • Acción: Abre el monitor serie y presiona el botón EN (Reinicio) en el ESP32.
    • Observación esperada: El monitor imprime «Starting BLE Doorway People Counter…» seguido de «BLE Advertising started. Waiting for connections…».
    • Condición de aprobación: No ocurren bucles de arranque ni volcados de memoria por fallos.
  2. Descubrimiento y conexión BLE
    • Acción: Abre una aplicación de escáner BLE (como LightBlue) en tu teléfono inteligente. Escanea en busca de dispositivos y busca «ESP32_Counter». Toca «Connect».
    • Observación esperada: El monitor serie imprime «BLE Client Connected». La aplicación muestra el Servicio personalizado (4fafc201...) y la Característica (beb5483e...).
    • Condición de aprobación: Puedes suscribirte con éxito a las notificaciones para la característica en la aplicación.
  3. Detección de entrada (Ingreso)
    • Acción: Bloquea el Sensor A (Exterior) con tu mano, luego bloquea el Sensor B (Interior), luego retira tu mano de ambos.
    • Observación esperada: El monitor serie registra transiciones de estado que terminan con «Person Entered! Total: 1». El LED de estado parpadea una vez.
    • Condición de aprobación: La aplicación de escáner BLE se actualiza automáticamente para mostrar «Occupancy: 1».
  4. Detección de salida (Egreso)
    • Acción: Bloquea el Sensor B (Interior), luego bloquea el Sensor A (Exterior), luego retira tu mano de ambos.
    • Observación esperada: El monitor serie registra transiciones de estado que terminan con «Person Exited! Total: 0». El LED de estado parpadea una vez.
    • Condición de aprobación: La aplicación de escáner BLE se actualiza automáticamente para mostrar «Occupancy: 0».
  5. Manejo de falsas alarmas
    • Acción: Bloquea solo el Sensor A, luego retira tu mano sin bloquear el Sensor B.
    • Observación esperada: El monitor serie imprime «State: A Broken (Potential Entry)» seguido de «State: Idle (False Alarm A)». El conteo no cambia.
    • Condición de aprobación: El conteo de ocupación se mantiene estable y no se activa ninguna notificación BLE.

Solución de problemas

Síntoma Causa probable Solución
El código falla al cargarse en el ESP32 Falta el controlador CP210x/CH34x, o el ESP32 no está en modo de arranque. Instala los controladores. Mantén presionado el botón BOOT en el DevKitC cuando aparezca «Connecting…» durante la carga.
El conteo se incrementa múltiples veces por pasada Rebote del sensor o haces colocados demasiado cerca. Aumenta la distancia física entre el Sensor A y B. Asegúrate de que la eliminación de rebotes delay(20) en el código sea suficiente.
Los sensores nunca se activan (siempre en IDLE) Los receptores están mal cableados o los haces están desalineados. Asegúrate de que los emisores estén perfectamente alineados con los receptores. Verifica que los receptores estén conectados a los GPIO 32 y 33.
El conteo se vuelve negativo El conteo inicial era 0 y alguien salió, o la lógica direccional está invertida. El código evita conteos negativos (if (peopleCount > 0)). Si la entrada se registra como salida, intercambia los cables en los GPIO 32 y 33.
Dispositivo BLE no encontrado en el teléfono El ESP32 no se está anunciando o la caché del Bluetooth del teléfono está desactualizada. Reinicia el ESP32. Apaga y enciende el Bluetooth de tu teléfono para borrar la caché de escaneo.

Mejoras

Una vez que hayas dominado el prototipo básico, considera estas mejoras para hacer el dispositivo más robusto para una implementación en el mundo real:

Lógica avanzada y fiabilidad
* Manejo de tiempo de espera: Implementa un temporizador en la máquina de estados. Si una persona interrumpe el Sensor A pero se queda allí durante 10 segundos sin interrumpir el Sensor B, el estado debería restablecerse a IDLE para evitar que el sistema se cuelgue.
* Ajuste de eliminación de rebotes: Reemplaza el simple delay(20) con una eliminación de rebotes no bloqueante basada en millis() para asegurar que la pila BLE nunca se quede sin tiempo de CPU durante eventos rápidos de los sensores.

Integración de datos y escalabilidad
* Integración de puerta de enlace BLE: En lugar de un teléfono inteligente, usa una PC u otro ESP32 como dispositivo Central BLE para agregar datos de múltiples puertas y enviarlos a un broker MQTT.
* Registro de series temporales: Agrega un módulo de reloj de tiempo real (RTC) y un lector de tarjetas SD para registrar las marcas de tiempo de cada entrada y salida para su posterior análisis de datos.

Optimización de energía
* Modos de suspensión: Si funciona con batería, configura el ESP32 para entrar en suspensión ligera (light sleep), usando los pines GPIO conectados a los receptores IR como fuentes de reactivación. Ten en cuenta que el anuncio BLE consume mucha energía, por lo que es posible que desees agrupar los datos y transmitirlos solo periódicamente.


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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Qué tipo de sensores se utilizan en el proyecto para rastrear a las personas?




Pregunta 2: ¿Qué tecnología de comunicación se utiliza para transmitir el recuento de ocupación en tiempo real?




Pregunta 3: ¿Cuál es un beneficio de ajustar dinámicamente la climatización según la ocupación real?




Pregunta 4: ¿Cómo se activan las alertas de limpieza en el caso de uso de mantenimiento basado en el uso?




Pregunta 5: ¿Para qué se utiliza el análisis de espacios en el comercio minorista según el texto?




Pregunta 6: ¿Cuál es la latencia de sondeo de sensores esperada en el dispositivo implementado?




Pregunta 7: ¿Qué tipo de dispositivo principal se construirá en este proyecto?




Pregunta 8: ¿Qué acción específica rastrea el dispositivo construido?




Pregunta 9: ¿Qué permite optimizar el monitoreo de la utilización de las salas de conferencias?




Pregunta 10: ¿Qué tipo de arquitectura de dispositivo se menciona en el resultado esperado?




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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Caso práctico: Monitor de corriente AC con ESP32

Caso práctico: Monitor de corriente AC con ESP32 — ESP32 con pinza SCT-013 y cable de extractor de polvo

Construcción de un monitor de corriente para recolector de polvo con ESP32

Objetivo y caso de uso

Qué construirás: Un monitor de corriente no invasivo para un recolector de polvo que registra el consumo de energía de CA del sistema de recolección de polvo de tu taller para establecer un perfil base de uso eléctrico y detectar anomalías operativas.

Por qué es importante / Casos de uso

  • Monitorización de equipos: Detectar un impulsor atascado o rodamientos de motor defectuosos mediante la identificación de picos de corriente de funcionamiento anormales (por ejemplo, una sobretensión repentina muy por encima de la línea base).
  • Detección de filtros/obstrucciones: Identificar disminuciones graduales o caídas inesperadas en el consumo de corriente base que indican un flujo de aire restringido o un filtro de recolector de polvo obstruido (ya que los ventiladores centrífugos consumen menos corriente cuando el flujo de aire está restringido).
  • Perfilado de energía: Registrar el uso eléctrico continuo a lo largo del tiempo para calcular con precisión los costos de energía de hacer funcionar el recolector de polvo durante las horas de taller.

Resultado esperado

  • El ESP32 muestreará la forma de onda analógica de corriente alterna (CA) a alta velocidad para calcular la corriente eficaz (RMS) matemáticamente, sin depender de bibliotecas externas.
  • La salida del monitor serie mostrará el consumo de corriente en tiempo real en amperios para el recolector de polvo.
  • El sistema filtrará activamente el ruido eléctrico base para evitar lecturas de falsos positivos durante los estados de inactividad de la máquina.

Audiencia: Estudiantes de electrónica básica y programación que buscan interconectar sensores analógicos e implementar matemáticas de procesamiento de señales; Nivel: Intermedio

Arquitectura/flujo: Sensor de corriente TC no invasivo → ADC del ESP32 → Procesamiento de señales RMS personalizado → Salida del monitor serie

Nota educativa de validación

Antes de publicar este caso, el contenido pasó la puerta automática de validación de Prometeo con estado PASS. Para este perfil ESP32 DevKitC, el proyecto se comprobó como proyecto PlatformIO: el validador extrajo platformio.ini y src/main.cpp, creó un proyecto temporal y ejecutó pio run contra platform = espressif32, board = esp32dev y framework = arduino. También revisó la estructura del artículo, que los comandos sean copiables con guiones ASCII, y que no aparezcan stacks no soportados como ESP-IDF directo o placas ESP32 no acotadas.

Evidencia de validación publicada

  • Resultado automático: PASS.
  • Estructura parseada: 3 apartados, 3 tablas y 2 bloques de código detectados antes de publicar.
  • Código comprobado: 1 PlatformIO config + 1 ESP32 source/pio run.
  • Catálogo soportado: el texto se contrastó contra los perfiles de dispositivo validables de Prometeo y los stacks no soportados bloquean la publicación.
  • Hallazgos del informe: sin hallazgos bloqueantes.

Esta validación confirma compatibilidad sintáctica y de herramientas para el código publicado, pero no sustituye la prueba física sobre tu placa ESP32 DevKitC exacta, tu cableado, alimentación y entorno WiFi local.

Nota educativa de seguridad

ADVERTENCIA: ALTO VOLTAJE. Este tutorial implica la monitorización de electrodomésticos de red de CA. El SCT-013 es un transformador de corriente no invasivo. Nunca debes cortar, pelar ni exponer cables desnudos de la red de CA para usar este sensor. La pinza solo debe colocarse sobre cables con aislamiento intacto clasificado de fábrica.
Además:
* Nunca intentes conectar el SCT-013 directamente al ESP32 sin la resistencia de carga (burden) de 33Ω en su lugar. Sin una resistencia de carga, un transformador de corriente desconectado puede generar voltajes peligrosamente altos en sus pines de salida cuando se sujeta sobre un cable con corriente.
* Este prototipo es una herramienta educativa. No lo utilices como una desconexión de seguridad principal o mecanismo de monitorización industrial.
* Asegúrate siempre de que tus circuitos de microcontrolador de bajo voltaje estén físicamente aislados y a una distancia segura de las líneas de CA de alto voltaje.

Diagrama de bloques conceptual

Vista de alto nivel: qué entra, qué procesa cada bloque y qué sale del sistema.

Arquitectura funcional

Sonda de agua

GPIO/ADC ESP32

Lógica de umbral

LED/buzzer

Alerta Wi-Fi

Flujo conceptual: detección de humedad, decisión local y aviso al usuario.

Ruta de validación

Código fuente

PlatformIO build

Flash

Monitor serie

Resumen conceptual de las herramientas usadas para comprobar el proyecto ESP32 publicado.

Requisitos previos

Para completar con éxito este tutorial, necesitas:
* Un ordenador con Visual Studio Code y la extensión PlatformIO IDE instalada.
* Familiaridad básica con el uso de protoboards y conexiones de cables puente.
* Comprender la diferencia entre señales de CA y CC (específicamente, que los pines analógicos del ESP32 solo pueden leer voltajes positivos de CC entre 0V y 3.3V).
* Un electrodoméstico de prueba (como una lámpara de escritorio o un ventilador pequeño) enchufado a un divisor de CA donde los cables de fase y neutro estén separados físicamente, antes de pasar al recolector de polvo real.

Nota de configuración de hardware: Si tu ordenador no reconoce automáticamente el ESP32 DevKitC, es posible que necesites instalar los controladores USB a UART CP210x o CH34x específicos para el chip serie de tu placa.

Materiales

Necesitarás los siguientes componentes exactos para este montaje:
* ESP32 DevKitC (Placa de desarrollo estándar de 38 o 30 pines).
* Módulo transformador de corriente SCT-013 (Específicamente el SCT-013-000, que es un transformador de tipo corriente de 100A/50mA).
* Resistencia de carga (burden): 1x resistencia de 33Ω (1/4 de vatio es suficiente).
* Componentes de polarización de CC: 2x resistencias de 10kΩ y 1x condensador electrolítico de 10µF (necesarios para desplazar la onda de CA al rango de CC legible por el ESP32).
* Placa de adaptación para conector de audio (Breakout): Una placa de adaptación TRS hembra de 3.5mm (para conectar fácilmente el enchufe del SCT-013 a la protoboard).
* Protoboard y cables puente.

Configuración/Conexión

El SCT-013-000 emite una corriente de CA proporcional a la corriente que fluye a través del cable sujeto. Debido a que el convertidor analógico a digital (ADC) del ESP32 solo puede medir voltajes de CC positivos de hasta 3.3V, debemos hacer dos cosas:
1. Convertir la salida de corriente del sensor en un voltaje utilizando una resistencia de carga.
2. Desplazar la forma de onda de CA (que se vuelve positiva y negativa) por completo al rango positivo utilizando una red de polarización de CC (un divisor de voltaje).

Polarización de CC y cableado del sensor

  1. Conecta las dos resistencias de 10kΩ en serie entre el pin 3V3 del ESP32 y GND. La unión entre estas dos resistencias es tu «punto medio», que reposa exactamente a 1.65V.
  2. Conecta la pata positiva (ánodo) del condensador de 10µF a este punto medio de 1.65V, y la pata negativa (cátodo) a GND. Esto suaviza el ruido de la fuente de alimentación.
  3. Conecta la malla (Tierra/Blindaje – Sleeve) de la placa de adaptación del conector de audio de 3.5mm al punto medio de 1.65V.
  4. Conecta la punta (Tip) de la placa de adaptación del conector de audio de 3.5mm al pin 34 del ESP32 (un pin ADC de solo entrada).
  5. Coloca la resistencia de carga de 33Ω directamente a través de las conexiones de la punta (Tip) y la malla (Sleeve) de la placa de adaptación del conector de audio.

Tabla de mapeo de pines

Pin del ESP32 DevKitC Conexión del componente Función
3V3 Resistencia de 10kΩ #1 (Arriba) Proporciona energía de 3.3V para el divisor de polarización de CC.
GND Resistencia de 10kΩ #2 (Abajo), Condensador (-) Referencia de tierra común.
34 (ADC1_CH6) Punta del conector de audio, Lado A de la resistencia de carga Lee el voltaje de CA fluctuante.
N/A (Punto medio) Malla del conector de audio, Lado B de la resistencia de carga Proporciona un desplazamiento de tierra virtual de 1.65V.

Sujeción del sensor

Para medir la corriente, el SCT-013 debe sujetarse alrededor de un solo cable (ya sea el cable de fase/vivo O el cable neutro) del cable de alimentación del recolector de polvo. Si lo sujetas alrededor de un cable de alimentación estándar que contiene ambos cables, los campos magnéticos de las corrientes de salida y retorno se cancelarán entre sí, y el sensor leerá 0 amperios.

Código completo

El siguiente código calcula la corriente RMS matemáticamente muestreando el ADC rápidamente, calculando la varianza de la forma de onda y derivando el verdadero componente de CA. Esto evita dependencias de bibliotecas externas y garantiza la compilación. Crea un nuevo proyecto de PlatformIO para el ESP32 DevKitC y reemplaza los archivos predeterminados con el código a continuación.

platformio.ini

[env:esp32dev]
platform = espressif32
board = esp32dev
framework = arduino
monitor_speed = 115200

src/main.cpp

Vista pública parcial del archivo validado. El código completo se muestra a miembros y en PDF/Print.

#include <Arduino.h>

// ---------------------------------------------------------
// Configuration & Constants
// ---------------------------------------------------------
const int ADC_PIN = 34;               // Analog input pin connected to the SCT-013
const float V_REF = 3.3;              // ESP32 ADC reference voltage
const int ADC_RESOLUTION = 4095;      // 12-bit ADC maximum value
const float BURDEN_RESISTOR = 33.0;   // Burden resistor value in Ohms
const float CT_TURNS_RATIO = 2000.0;  // For SCT-013-000: 100A / 0.050A = 2000

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    while (!Serial) {
        ; // Wait for serial port to connect
    }

    Serial.println("Dust Collector Current Monitor Initializing...");

    // Configure the ADC pin
    analogReadResolution(12);
    pinMode(ADC_PIN, INPUT);

    Serial.println("Initialization Complete. Monitoring Current...");
}

void loop() {
    unsigned long startMillis = millis();
    double sum = 0;
    double sumSquared = 0;
    int samples = 0;

    // Sample the waveform for 200ms (captures 10-12 full AC cycles)
    while (millis() - startMillis < 200) {
        int raw = analogRead(ADC_PIN);
        sum += raw;
        sumSquared += ((double)raw * raw);
        samples++;

        // Small delay to prevent FreeRTOS watchdog starvation
        delayMicroseconds(100); 
    }
// ...

#include <Arduino.h>

// ---------------------------------------------------------
// Configuration & Constants
// ---------------------------------------------------------
const int ADC_PIN = 34;               // Analog input pin connected to the SCT-013
const float V_REF = 3.3;              // ESP32 ADC reference voltage
const int ADC_RESOLUTION = 4095;      // 12-bit ADC maximum value
const float BURDEN_RESISTOR = 33.0;   // Burden resistor value in Ohms
const float CT_TURNS_RATIO = 2000.0;  // For SCT-013-000: 100A / 0.050A = 2000

void setup() {
    Serial.begin(115200);
    while (!Serial) {
        ; // Wait for serial port to connect
    }

    Serial.println("Dust Collector Current Monitor Initializing...");

    // Configure the ADC pin
    analogReadResolution(12);
    pinMode(ADC_PIN, INPUT);

    Serial.println("Initialization Complete. Monitoring Current...");
}

void loop() {
    unsigned long startMillis = millis();
    double sum = 0;
    double sumSquared = 0;
    int samples = 0;

    // Sample the waveform for 200ms (captures 10-12 full AC cycles)
    while (millis() - startMillis < 200) {
        int raw = analogRead(ADC_PIN);
        sum += raw;
        sumSquared += ((double)raw * raw);
        samples++;

        // Small delay to prevent FreeRTOS watchdog starvation
        delayMicroseconds(100); 
    }

    if (samples > 0) {
        // Calculate the statistical variance of the samples
        // Variance = E[X^2] - (E[X])^2
        double mean = sum / samples;
        double meanSquared = sumSquared / samples;
        double variance = meanSquared - (mean * mean);

        // Prevent negative variance due to floating point inaccuracies
        if (variance < 0) {
            variance = 0;
        }

        // RMS of the AC component is the square root of the variance
        double rmsAdc = sqrt(variance);

        // Convert ADC units to Voltage
        double rmsVoltage = (rmsAdc / ADC_RESOLUTION) * V_REF;

        // Convert Voltage to Primary Current using burden resistor and turns ratio
        double rmsCurrent = (rmsVoltage / BURDEN_RESISTOR) * CT_TURNS_RATIO;

        // Noise suppression: clamp extremely low floating values to 0
        if (rmsCurrent < 0.15) {
            rmsCurrent = 0.0;
        }

        // Print the calculated RMS current to the Serial Monitor
        Serial.print("Samples: ");
        Serial.print(samples);
        Serial.print(" | Dust Collector Current Draw: ");
        Serial.print(rmsCurrent, 2); // Print with 2 decimal places
        Serial.println(" A");
    }

    // Delay before the next sampling window
    delay(800);
}

Comandos de compilación/flasheo/ejecución

Utiliza la interfaz de línea de comandos (CLI) de PlatformIO para compilar, subir y monitorizar el proyecto.

Comando Descripción
pio run Compila el proyecto para verificar la sintaxis.
pio run --target upload Flashea el firmware compilado en el ESP32.
pio device monitor Inicia el monitor serie a 115200 baudios.

Flujo de trabajo de ejecución:
1. Conecta el ESP32 DevKitC a tu ordenador mediante un cable USB con capacidad de datos.
2. Abre tu terminal en el directorio del proyecto de PlatformIO.
3. Ejecuta pio run para verificar que no haya errores de sintaxis.
4. Ejecuta pio run --target upload para escribir el código en el ESP32. (Si la carga agota el tiempo de espera, mantén presionado el botón «BOOT» en el ESP32 cuando aparezca el mensaje «Connecting…»).
5. Ejecuta pio device monitor para ver las lecturas de corriente en tiempo real.

Validación paso a paso

Utiliza este procedimiento para verificar que tu prototipo funciona correctamente antes de implementarlo en el recolector de polvo.

  1. Verificar el rechazo del ruido base
  2. Acción: Enciende el ESP32 con el SCT-013 conectado pero completamente suelto de cualquier cable.
  3. Observación esperada: El monitor serie debería mostrar Dust Collector Current Draw: 0.00 A.
  4. Condición de aprobación: La lógica de supresión de ruido (if (rmsCurrent < 0.15)) fuerza con éxito el ruido flotante menor a cero.

  5. Verificar el punto medio de compensación de CA

  6. Acción: Usando un multímetro digital, mide el voltaje de CC entre el pin GND del ESP32 y el punto medio de las dos resistencias de 10kΩ.
  7. Observación esperada: El multímetro lee aproximadamente 1.65V.
  8. Condición de aprobación: El voltaje está entre 1.6V y 1.7V, lo que confirma que el circuito de polarización está empujando correctamente la onda de CA al rango legible por el ESP32.

  9. Prueba de baja potencia (Monitorización base)

  10. Acción: Sujeta el SCT-013 alrededor del cable de fase de un cable de extensión de CA dividido específicamente para pruebas. Enchufa un electrodoméstico de baja potencia (por ejemplo, una lámpara incandescente de 60W) y aplica energía.
  11. Observación esperada: El monitor serie lee aproximadamente 0.50 A (para una bombilla de 60W a 120V).
  12. Condición de aprobación: La lectura de corriente aumenta proporcionalmente a la carga y se mantiene estable.

  13. Prueba de alta potencia (Simulación de carga del recolector de polvo)

  14. Acción: Sujeta de forma segura el sensor en el cable de fase que alimenta el recolector de polvo real (o una carga de prueba de alta potencia como una pistola de calor de 1000W) y suministra energía.
  15. Observación esperada: El monitor serie lee una carga sostenida (por ejemplo, > 8.00 A).
  16. Condición de aprobación: La consola refleja con precisión el alto consumo de corriente, validando que las matemáticas se escalan correctamente con cargas más grandes.

Solución de problemas

Síntoma Causa probable Solución
La lectura se mantiene en 0.00A cuando la máquina está en marcha Sujeto sobre los cables de fase y neutro. Asegúrate de que el SCT-013 esté sujeto SOLAMENTE alrededor del cable de fase. Usa un divisor de línea de CA.
Lecturas que fluctúan descontroladamente (ej., 5A, 0A, 12A) Condensador de derivación de 10µF faltante o desconectado. Verifica que el condensador esté firmemente asentado entre el punto medio de 1.65V y GND.
Lectura alta constante (ej., 30A+) cuando la máquina está apagada La resistencia de carga está desconectada o tiene un valor incorrecto. Revisa la conexión de la resistencia de 33Ω a través de la punta y la malla del conector de audio.
El monitor serie imprime caracteres sin sentido Discrepancia en la tasa de baudios. Asegúrate de que la terminal esté configurada a 115200 baudios, coincidiendo con Serial.begin(115200).

Mejoras

Una vez que el monitor de corriente básico funcione de manera confiable, considera estas mejoras para una instalación permanente en el taller:

Integración inalámbrica y de IoT
* Publicación MQTT: Conecta el ESP32 a Wi-Fi y publica pasivamente la corriente RMS en un broker MQTT. Un servidor central puede suscribirse a este tema para registrar datos en un panel de Grafana y obtener un perfil de energía a largo plazo del recolector de polvo.
* Actualizaciones inalámbricas (OTA): Implementa ArduinoOTA para que puedas ajustar las constantes de calibración sin retirar físicamente el ESP32 de su carcasa a prueba de polvo.

Hardware y robustez
* Filtrado por hardware: Agrega un pequeño condensador de 10nF en paralelo con la resistencia de carga para que actúe como un filtro de paso bajo por hardware, suavizando aún más el ruido eléctrico de alta frecuencia del taller antes de que llegue al ADC.

Lista de verificación

  • [ ] Circuito de polarización de CC en protoboard construido (dos resistencias de 10kΩ, un condensador de 10µF).
  • [ ] Resistencia de carga de 33Ω asegurada a través de las líneas de salida del SCT-013.
  • [ ] Punta del SCT-013 conectada al pin 34 del ESP32; Malla conectada al punto medio de 1.65V.
  • [ ] platformio.ini configurado correctamente.
  • [ ] Código flasheado con éxito usando pio run --target upload.
  • [ ] SCT-013 sujeto de forma segura alrededor de un solo cable de CA aislado (fase o neutro, no ambos).
  • [ ] El monitor serie muestra >0A y se escala con precisión cuando se suministra energía al electrodoméstico de prueba.

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Como afiliado de Amazon, gano con las compras que cumplan los requisitos. Si compras a través de este enlace, ayudas a mantener este proyecto.

Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal del proyecto descrito en el artículo?




Pregunta 2: ¿Qué microcontrolador se utiliza para la construcción de este monitor de corriente?




Pregunta 3: ¿Qué tipo de energía registra este monitor en el sistema de recolección de polvo?




Pregunta 4: ¿Para qué sirve establecer un perfil base de uso eléctrico en este proyecto?




Pregunta 5: ¿Qué problema mecánico puede indicar un pico de corriente anormalmente alto?




Pregunta 6: ¿Qué sucede con el consumo de corriente de los ventiladores centrífugos cuando el flujo de aire se restringe?




Pregunta 7: ¿Qué anomalía puede indicar una disminución gradual o caída inesperada en el consumo de corriente base?




Pregunta 8: ¿Cuál es el propósito del 'Perfilado de energía' mencionado en el texto?




Pregunta 9: ¿Qué característica define al monitor de corriente que se va a construir?




Pregunta 10: Según el texto, ¿qué componente específico del motor podría estar fallando si se detectan sobretensiones repentinas?




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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Caso práctico: Controlador de bomba de agua con ESP32

Caso práctico: Controlador de bomba de agua con ESP32 — hero

Objetivo y caso de uso

Qué construirás: Un controlador de bomba de agua inteligente con conectividad web que monitorea los niveles del tanque mediante interruptores de flotador físicos y corta automáticamente la energía para prevenir un funcionamiento en seco catastrófico.

Por qué es importante / Casos de uso

  • Protección del equipo: Previene la destrucción del motor y los sellos en cuestión de minutos al proteger activamente contra el funcionamiento en seco en bombas centrífugas y sumergibles.
  • Automatización agrícola: Garantiza que las bombas de suministro de nutrientes hidropónicos operen solo cuando el depósito tiene suficiente líquido.
  • Transferencia de agua fuera de la red (off-grid): Automatiza las transferencias de cisterna a tanque de retención, pausando instantáneamente si la fuente se queda seca.
  • Control local primero: Opera completamente en un Punto de Acceso (AP) WiFi local sin dependencia de internet, la nube o MQTT externo.

Resultado esperado

  • El ESP32 transmite una red WiFi independiente (ESP32_Pump_Guard) para un acceso local directo y de baja latencia.
  • Un panel de control web alojado muestra métricas en tiempo real: Estado del tanque, Estado de la bomba y el estado activo/inactivo de la Protección contra Funcionamiento en Seco.

Audiencia: Aficionados al IoT, ingenieros agrícolas y entusiastas del off-grid; Nivel: Intermedio

Arquitectura/flujo: Entradas del interruptor de flotador → Microcontrolador ESP32 → Módulo de relé (control de energía de la bomba) & Servidor Web Local (panel de interfaz de usuario).

Nota educativa de validación

Antes de publicar este caso, el contenido pasó la puerta automática de validación de Prometeo con estado PASS. Para este perfil ESP32 DevKitC, el proyecto se comprobó como proyecto PlatformIO: el validador extrajo platformio.ini y src/main.cpp, creó un proyecto temporal y ejecutó pio run contra platform = espressif32, board = esp32dev y framework = arduino. También revisó la estructura del artículo, que los comandos sean copiables con guiones ASCII, y que no aparezcan stacks no soportados como ESP-IDF directo o placas ESP32 no acotadas.

Evidencia de validación publicada

  • Resultado automático: PASS.
  • Estructura parseada: 4 apartados, 1 tablas y 5 bloques de código detectados antes de publicar.
  • Código comprobado: 1 PlatformIO config + 1 ESP32 source/pio run, 3 Bash/copy-paste checks.
  • Catálogo soportado: el texto se contrastó contra los perfiles de dispositivo validables de Prometeo y los stacks no soportados bloquean la publicación.
  • Hallazgos del informe: sin hallazgos bloqueantes.

Esta validación confirma compatibilidad sintáctica y de herramientas para el código publicado, pero no sustituye la prueba física sobre tu placa ESP32 DevKitC exacta, tu cableado, alimentación y entorno WiFi local.

Nota educativa de seguridad

Este proyecto es un prototipo educativo de bajo voltaje, no un producto certificado. Antes de encender la configuración, verifique la distribución de pines de su placa ESP32 DevKitC exacta, mantenga las señales GPIO dentro de los límites de 3.3 V, nunca aplique 5 V a las entradas del ESP32, desconecte la alimentación antes de cambiar el cableado y use fuentes externas adecuadas para relés, motores o cargas, compartiendo GND solo cuando el esquema lo requiera.

Diagrama de bloques conceptual

Vista de alto nivel: qué entra, qué procesa cada bloque y qué sale del sistema.

Arquitectura funcional

Sonda de agua

GPIO/ADC ESP32

Lógica de umbral

LED/buzzer

Alerta Wi-Fi

Flujo conceptual: detección de humedad, decisión local y aviso al usuario.

Ruta de validación

Código fuente

PlatformIO build

Flash

Monitor serie

Resumen conceptual de las herramientas usadas para comprobar el proyecto ESP32 publicado.

Requisitos previos y materiales

  • Software: Visual Studio Code (VSCode) con la extensión PlatformIO IDE instalada.
  • Microcontrolador: ESP32 DevKitC V4 (variante de 38 pines o 30 pines).
  • Sensores: 2x Interruptores de flotador de nivel de líquido verticales (plástico PP estándar).
  • Actuador: 1x Módulo de relé de 5 V (estándar de 1 canal, Activo-ALTO).
  • Alimentación: Fuente de alimentación USB de 5 V / 2 A.
  • Nota de configuración de hardware (Controladores): Dependiendo de su fabricante específico de ESP32 DevKitC, es posible que necesite instalar los controladores del puente USB a UART CP210x o CH34x en su computadora para permitir que PlatformIO reconozca la placa a través de USB.

Configuración y conexión

Este proyecto utiliza las resistencias pull-up internas del ESP32 para los interruptores de flotador, simplificando el cableado al eliminar la necesidad de resistencias externas.

Tabla de cableado

Componente Pin / Cable del componente Pin del ESP32 DevKitC Notas
Interruptor de flotador bajo Cable 1 GPIO 27 Fondo del tanque (Protección contra funcionamiento en seco).
Interruptor de flotador bajo Cable 2 GND Se cierra a GND cuando el flotador está ARRIBA (presencia de agua).
Interruptor de flotador alto Cable 1 GPIO 14 Parte superior del tanque (Indicador de lleno).
Interruptor de flotador alto Cable 2 GND Se cierra a GND cuando el flotador está ARRIBA (tanque lleno).
Módulo de relé de 5 V VCC 5V / VIN Alimenta la bobina del relé.
Módulo de relé de 5 V GND GND Tierra común.
Módulo de relé de 5 V IN (Señal) GPIO 26 Señal Activo-ALTO para activar el relé.

Orientación del interruptor de flotador: Configure ambos interruptores de manera que cuando el flotador esté descansando en el fondo (sin agua), el interruptor esté ABIERTO (desconectado, lee ALTO a través del pull-up). Cuando el agua levanta el flotador ARRIBA, el interruptor se CIERRA (conectado a GND, lee BAJO).

Código del proyecto

Cree un nuevo proyecto de PlatformIO para el ESP32 DevKitC. Reemplace el contenido de platformio.ini y src/main.cpp con el código a continuación.

platformio.ini

[env:esp32dev]
platform = espressif32
board = esp32dev
framework = arduino
monitor_speed = 115200

src/main.cpp

Vista pública parcial del archivo validado. El código completo se muestra a miembros y en PDF/Print.

#include <Arduino.h>
#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>

// ---------------------------------------------------------
// Pin Definitions
// ---------------------------------------------------------
const int RELAY_PIN = 26;
const int LOW_FLOAT_PIN = 27;
const int HIGH_FLOAT_PIN = 14;

// ---------------------------------------------------------
// State Variables
// ---------------------------------------------------------
bool pumpIsOn = false;
bool lowFloatActive = false;  // true = tank empty (dry run risk)
bool highFloatActive = false; // true = tank full

// ---------------------------------------------------------
// Network & Web Server Setup
// ---------------------------------------------------------
const char* AP_SSID = "ESP32_Pump_Guard";
const char* AP_PASS = "admin1234";

WebServer server(80);

// ---------------------------------------------------------
// HTML Dashboard (Stored in PROGMEM)
// ---------------------------------------------------------
const char index_html[] PROGMEM = R"rawliteral(
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Pump Dry-Run Guard</title>
    <style>
        body { font-family: 'Segoe UI', Tahoma, Geneva, Verdana, sans-serif; background-color: #f4f7f6; color: #333; text-align: center; margin: 0; padding: 20px; }
        .card { background: white; padding: 20px; border-radius: 10px; box-shadow: 0 4px 8px rgba(0,0,0,0.1); max-width: 500px; margin: 0 auto 20px auto; }
        h1 { color: #2c3e50; }
        .status-badge { display: inline-block; padding: 8px 15px; border-radius: 20px; font-weight: bold; color: white; margin-bottom: 10px; }
        .bg-green { background-color: #27ae60; }
        .bg-red { background-color: #e74c3c; }
        .bg-gray { background-color: #7f8c8d; }
        button { padding: 12px 24px; font-size: 16px; margin: 10px; border: none; border-radius: 5px; cursor: pointer; transition: 0.3s; color: white; font-weight: bold;}
        .btn-on { background-color: #3498db; }
        .btn-on:hover { background-color: #2980b9; }
        .btn-off { background-color: #95a5a6; }
        .btn-off:hover { background-color: #7f8c8d; }
        .data-row { display: flex; justify-content: space-between; padding: 10px 0; border-bottom: 1px solid #eee; }
        .data-row:last-child { border-bottom: none; }
    </style>
</head>
<body>
    <div class="card">
        <h1>Pump Controller</h1>
        <div id="guard-badge" class="status-badge bg-gray">Loading Status...</div>

        <div class="data-row">
            <span>Tank Level:</span>
            <strong id="tank-level">Unknown</strong>
        </div>
        <div class="data-row">
            <span>Pump State:</span>
            <strong id="pump-state">Unknown</strong>
        </div>

        <div style="margin-top: 20px;">
            <button class="btn-on" onclick="controlPump('on')">Start Pump</button>
            <button class="btn-off" onclick="controlPump('off')">Stop Pump</button>
        </div>
    </div>

    <script>
        function updateDashboard() {
            fetch('/api/status')
                .then(response => response.json())
                .then(data => {
                    document.getElementById('tank-level').innerText = data.tank_status;
                    document.getElementById('pump-state').innerText = data.pump_on ? "RUNNING" : "STOPPED";
                    const badge = document.getElementById('guard-badge');
                    if (data.dry_run_guard) {
                        badge.innerText = "DRY RUN GUARD ACTIVE";
                        badge.className = "status-badge bg-red";
                    } else {
                        badge.innerText = "SYSTEM SAFE";
                        badge.className = "status-badge bg-green";
                    }
                })
                .catch(err => console.error('Error fetching status:', err));
        }

        function controlPump(action) {
            fetch('/api/pump?state=' + action, { method: 'POST' })
                .then(response => response.json())
                .then(data => {
                    if (data.error) {
                        alert("Command rejected: " + data.error);
                    }
                    updateDashboard();
                });
        }
// ...

#include <Arduino.h>
#include <WiFi.h>
#include <WebServer.h>

// ---------------------------------------------------------
// Pin Definitions
// ---------------------------------------------------------
const int RELAY_PIN = 26;
const int LOW_FLOAT_PIN = 27;
const int HIGH_FLOAT_PIN = 14;

// ---------------------------------------------------------
// State Variables
// ---------------------------------------------------------
bool pumpIsOn = false;
bool lowFloatActive = false;  // true = tank empty (dry run risk)
bool highFloatActive = false; // true = tank full

// ---------------------------------------------------------
// Network & Web Server Setup
// ---------------------------------------------------------
const char* AP_SSID = "ESP32_Pump_Guard";
const char* AP_PASS = "admin1234";

WebServer server(80);

// ---------------------------------------------------------
// HTML Dashboard (Stored in PROGMEM)
// ---------------------------------------------------------
const char index_html[] PROGMEM = R"rawliteral(
<!DOCTYPE html>
<html lang="en">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width, initial-scale=1.0">
    <title>Pump Dry-Run Guard</title>
    <style>
        body { font-family: 'Segoe UI', Tahoma, Geneva, Verdana, sans-serif; background-color: #f4f7f6; color: #333; text-align: center; margin: 0; padding: 20px; }
        .card { background: white; padding: 20px; border-radius: 10px; box-shadow: 0 4px 8px rgba(0,0,0,0.1); max-width: 500px; margin: 0 auto 20px auto; }
        h1 { color: #2c3e50; }
        .status-badge { display: inline-block; padding: 8px 15px; border-radius: 20px; font-weight: bold; color: white; margin-bottom: 10px; }
        .bg-green { background-color: #27ae60; }
        .bg-red { background-color: #e74c3c; }
        .bg-gray { background-color: #7f8c8d; }
        button { padding: 12px 24px; font-size: 16px; margin: 10px; border: none; border-radius: 5px; cursor: pointer; transition: 0.3s; color: white; font-weight: bold;}
        .btn-on { background-color: #3498db; }
        .btn-on:hover { background-color: #2980b9; }
        .btn-off { background-color: #95a5a6; }
        .btn-off:hover { background-color: #7f8c8d; }
        .data-row { display: flex; justify-content: space-between; padding: 10px 0; border-bottom: 1px solid #eee; }
        .data-row:last-child { border-bottom: none; }
    </style>
</head>
<body>
    <div class="card">
        <h1>Pump Controller</h1>
        <div id="guard-badge" class="status-badge bg-gray">Loading Status...</div>

        <div class="data-row">
            <span>Tank Level:</span>
            <strong id="tank-level">Unknown</strong>
        </div>
        <div class="data-row">
            <span>Pump State:</span>
            <strong id="pump-state">Unknown</strong>
        </div>

        <div style="margin-top: 20px;">
            <button class="btn-on" onclick="controlPump('on')">Start Pump</button>
            <button class="btn-off" onclick="controlPump('off')">Stop Pump</button>
        </div>
    </div>

    <script>
        function updateDashboard() {
            fetch('/api/status')
                .then(response => response.json())
                .then(data => {
                    document.getElementById('tank-level').innerText = data.tank_status;
                    document.getElementById('pump-state').innerText = data.pump_on ? "RUNNING" : "STOPPED";
                    const badge = document.getElementById('guard-badge');
                    if (data.dry_run_guard) {
                        badge.innerText = "DRY RUN GUARD ACTIVE";
                        badge.className = "status-badge bg-red";
                    } else {
                        badge.innerText = "SYSTEM SAFE";
                        badge.className = "status-badge bg-green";
                    }
                })
                .catch(err => console.error('Error fetching status:', err));
        }

        function controlPump(action) {
            fetch('/api/pump?state=' + action, { method: 'POST' })
                .then(response => response.json())
                .then(data => {
                    if (data.error) {
                        alert("Command rejected: " + data.error);
                    }
                    updateDashboard();
                });
        }

        setInterval(updateDashboard, 2000);
        updateDashboard();
    </script>
</body>
</html>
)rawliteral";

// ---------------------------------------------------------
// Helper Functions
// ---------------------------------------------------------
void updateSensorStates() {
    // Switch Open (Float down/Empty) -> Pin is HIGH
    // Switch Closed (Float up/Water present) -> Pin is LOW
    lowFloatActive = (digitalRead(LOW_FLOAT_PIN) == HIGH); 
    highFloatActive = (digitalRead(HIGH_FLOAT_PIN) == LOW); 

    // Hardware Dry-Run Override Protection
    if (lowFloatActive && pumpIsOn) {
        Serial.println("CRITICAL: Dry run detected! Forcing pump OFF.");
        pumpIsOn = false;
        digitalWrite(RELAY_PIN, LOW); // Turn off relay safely
    }
}

String getTankStatusString() {
    if (lowFloatActive) return "Empty (Low Level)";
    if (highFloatActive) return "Full (High Level)";
    return "Normal (Mid Level)";
}

// ---------------------------------------------------------
// Web Server Route Handlers
// ---------------------------------------------------------
void handleRoot() {
    server.send(200, "text/html", index_html);
}

void handleApiStatus() {
    updateSensorStates();

    String json = "{";
    json += "\"pump_on\":" + String(pumpIsOn ? "true" : "false") + ",";
    json += "\"tank_status\":\"" + getTankStatusString() + "\",";
    json += "\"dry_run_guard\":" + String(lowFloatActive ? "true" : "false");
    json += "}";

    server.send(200, "application/json", json);
}

void handleApiPump() {
    if (!server.hasArg("state")) {
        server.send(400, "application/json", "{\"error\":\"Missing state argument\"}");
        return;
    }

    String stateArg = server.arg("state");
    updateSensorStates();

    if (stateArg == "on") {
        if (lowFloatActive) {
            Serial.println("API: Pump ON command rejected. Dry run guard is active.");
            server.send(403, "application/json", "{\"error\":\"Dry run guard active. Tank is empty.\"}");
            return;
        } else {
            pumpIsOn = true;
            digitalWrite(RELAY_PIN, HIGH);
            Serial.println("API: Pump turned ON manually.");
        }
    } else if (stateArg == "off") {
        pumpIsOn = false;
        digitalWrite(RELAY_PIN, LOW);
        Serial.println("API: Pump turned OFF manually.");
    }

    handleApiStatus();
}

// ---------------------------------------------------------
// Main Setup & Loop
// ---------------------------------------------------------
void setup() {
    Serial.begin(115200);
    delay(1000);
    Serial.println("\n--- ESP32 Water Pump Dry-Run Guard ---");

    // Initialize Pins
    pinMode(RELAY_PIN, OUTPUT);
    digitalWrite(RELAY_PIN, LOW); // Ensure pump is OFF at boot

    // Use internal pull-ups for float switches
    pinMode(LOW_FLOAT_PIN, INPUT_PULLUP);
    pinMode(HIGH_FLOAT_PIN, INPUT_PULLUP);

    // Setup WiFi Access Point
    Serial.print("Setting up WiFi AP...");
    WiFi.softAP(AP_SSID, AP_PASS);

    Serial.println("Done.");
    Serial.print("AP IP Address: ");
    Serial.println(WiFi.softAPIP());

    // Configure Web Server Routes
    server.on("/", handleRoot);
    server.on("/api/status", handleApiStatus);
    server.on("/api/pump", HTTP_POST, handleApiPump);

    server.begin();
    Serial.println("HTTP server started.");
}

void loop() {
    server.handleClient();
    updateSensorStates();
    delay(50); // Small yield to prevent watchdog starvation
}

Compilación y carga

Para compilar y grabar el proyecto en su ESP32 DevKitC, abra la terminal de VSCode y ejecute los siguientes comandos exactos de PlatformIO:

  1. Compile el firmware para asegurarse de que no haya errores de sintaxis:

bash
pio run

  1. Cargue el firmware compilado en el ESP32:

bash
pio run --target upload

  1. Abra el monitor serie para ver los registros de creación del AP y los mensajes de depuración:

bash
pio device monitor

Método de validación y evidencia esperada

Para validar rigurosamente la seguridad y precisión de la protección contra el funcionamiento en seco:

  1. Conexión de red: Conecte un teléfono inteligente o computadora portátil a la red WiFi ESP32_Pump_Guard (Contraseña: admin1234).
  2. Acceso al panel de control: Abra un navegador y navegue a http://192.168.4.1.
  3. Prueba de funcionamiento normal: Asegúrese de mantener el interruptor de flotador bajo manualmente ARRIBA (simulando presencia de agua). Haga clic en «Start Pump» en la interfaz de usuario web.
    • Evidencia esperada: El relé físico debería hacer clic (activarse), el estado de la bomba en la interfaz de usuario debería indicar «RUNNING», y el monitor serie debería registrar API: Pump turned ON manually.
  4. Prueba de corte de hardware por funcionamiento en seco: Mientras la bomba está en funcionamiento, deje caer físicamente el interruptor de flotador bajo ABAJO (simulando que el tanque se queda seco).
    • Evidencia esperada: El relé debe desactivarse inmediatamente haciendo clic. El monitor serie debe imprimir CRITICAL: Dry run detected! Forcing pump OFF. El panel de control web se actualizará automáticamente en 2 segundos para mostrar «DRY RUN GUARD ACTIVE» en rojo.
  5. Prueba de rechazo de la API: Mientras el interruptor de flotador bajo sigue ABAJO, intente hacer clic en «Start Pump» nuevamente en la interfaz de usuario.
    • Evidencia esperada: El navegador mostrará una alerta: «Command rejected: Dry run guard active. Tank is empty.» El relé no se activará. El monitor serie imprimirá API: Pump ON command rejected. Dry run guard is active.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Qué dispositivo se construye en este proyecto?




Pregunta 2: ¿Qué mecanismo físico utiliza el sistema para monitorear los niveles del tanque?




Pregunta 3: ¿Cuál es el propósito principal de cortar automáticamente la energía de la bomba?




Pregunta 4: ¿Qué tipo de bombas protege este sistema contra la destrucción del motor y los sellos?




Pregunta 5: En el contexto de la automatización agrícola, ¿para qué se utiliza este controlador?




Pregunta 6: ¿Qué sucede en la transferencia de agua fuera de la red si la fuente se queda seca?




Pregunta 7: ¿Qué significa que el sistema tenga un 'Control local primero'?




Pregunta 8: ¿Qué microcontrolador se menciona como el encargado de transmitir la red WiFi?




Pregunta 9: ¿Cuál es el nombre de la red WiFi independiente que transmite el dispositivo?




Pregunta 10: ¿Qué ventaja ofrece la red WiFi independiente generada por el ESP32?




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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