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CAPITULO IV

RESULTADOS DE LA INVESTIGACION

El resultado de la investigación es el reflejo de la aplicación

metodológica seleccionada así como el desarrollo de la misma.

1. ANALISIS DE LOS DATOS

Para llevar a cabo el primer objetivo de la investigación que es

Analizar los sistemas actuales de control de temperatura, monitoreo

de peso y humedad usados para incubadoras cerradas de

neonatales, que conjuntamente con la fase I de la metodología aplicada

la cual es Definir el problema, se realizó una investigación en el cual, se

estudiaron algunas incubadoras tales como la AIR -SHIELDS modelo C86,

se observó el funcionamiento interno y los requerimientos mínimos para

su operatividad en centros de salud.

Se Llegó a la conclusión que eran modelos obsoletos que ya han

sobrepasado su ciclo de vida útil de tal manera que conseguir los

repuestos para repararlos era altamente costoso y había que importarlos,

lo que significa que el equipo médico estaría tiempo sin funcionar, cabe

acotar que actualmente hay poco abas tecimiento de estos equipos

médicos ya que en los centros de salud no se cuenta con el aporte

económico suficiente para la importación de estos equipos médicos,

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vitales para que pueda sobrevivir el neonato en las condiciones idóneas

para su adaptación al medio ambiente fuera del útero materno.

Se realizo un análisis sobre sistemas de controles actuales así como

de monitoreo para aplicarlo en el desarrollo del prototipo también tomando

en cuenta las limitaciones económicas ya que, existen recursos limitados

así como de modelos de incubadoras actuales como la CHOONGWAE

modelo i1000 para realizar un prototipo más actual, igualmente se

estudiaron manuales operacionales de incubadoras, sensores de

humedad, temperatura, peso, se analizaron libros de pediatría,

metodologías para desarrollar prototipos, foros de internet sobre cuidados

maternos, datashets entre otros, para obtener una validez actual sobre el

prototipo.

En consecuencia se concluyo que se desarrollaría una incubadora

cerrada para neonatos con un sistema de control de temperatura y

monitoreo de peso y de humedad, el cual presenta la novedad de llevar

una vigilancia estricta del peso del neonato que actualmente no presentan

los modelos que se encuentran en los centros de salud y que es de vital

importanc ia para que el neonato se desarrolle satisfactoriamente y no

tenga complicaciones.

Siguiendo con el objetivo dos de la investigación referente a

Determinar los requerimientos de incubadoras cerradas de

neonatales tomando en cuenta estándares internacionales, así como

la subdivisión del problema planteado en la fase II de la metodología

adoptada que trata de Subdividir el problema, el cual especifica las

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siguientes funcionalidades.

Se procedió a realizar los circuitos por módulos de acuerdo a su

funcionalidad, de tal manera que se pueda facilitar el diseño y la selección

de componentes en el sistema de control como circuitos integrados,

resistencias comerciales amplificadores operacionales, sensores, entre

otros. Para la cual se muestra un diagrama de bloques en la figura 10 que

explica lo siguiente.

Figura 10 Diagrama del sistema de control. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

La división antes mencionada de los módulos del circuito consistió en

realizar implementación de los circuitos de sensores por separado para

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luego unirlos conjuntamente en un solo circuito para facilitar la verificación

de funcionalidad, de tal modo que el primer modulo realizado fue el de

temperatura por ser el más importante ya que, es la función primordial

que tendrá la incubadora y que tendrá dos sensores, uno corporal y otro

ambiental, conjuntamente con el de la humedad de igual importancia ya

que con su sensor capacitivo se monitorea que el neonato pueda estar

expuesto a una humedad que pueda traerle complicaciones respiratorias.

Luego se incluyo el modulo de peso el cual se caracteriza por llevar

dos sensores conocidos como galgas extensiometricas muy precisas que

son los encargados de captar los valores de masa corporal del neonato

para tenerlos monitoreados. Igualmente se diseño un circuito oscilador el

cual se encarga de entregar una frecuencia al microcontrolador para

realizar sus funciones, del mismo modo se agrego el circuito calefactor

que es el encargado de mantener el habitáculo de la incubadora a la

temperatura adecuada.

Siguiendo los parámetros metodológico adoptados en la fase III

referente a la Documentación, se plantea toda la información referente a

esta, el cual se dividió por módulos según su funcionalidad en el sistema

de control, acompañándolos de sus diagramas funcionales respectivos, y

realizando el cumplimiento del objeto tres que trata sobre Diseñar un

sistema de control de temperatura, monitoreo de peso y humedad en

incubadora neonatales de acuerdo con los requerimientos

preestablecidos.

La incubadora que se desarrollo consta de un sistema de calefacción

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que hace circular el aire caliente de manera laminar y sin turbulencias a

través de ductos fabricados con material de acrílico dentro del habitáculo

del neonato para obtener la temperatura deseada ya sea por control de

piel (servo controlado) o por control de ambiente, el mecanismo de

producción de calor es por convección.

El elemento calefactor del prototipo es una resistencia eléctrica circular

de 110 voltios y 400 vatios de potencia que junto con un electroventilador

impulsan flujo de aire caliente dentro de la incubadora y la cantidad de

calor que esta genera depende del ancho de pulso eléctrico aplicado a la

compuerta del TRIAC por intervalos de tiempo determinados que depende

de que tan cerca está de la temperatura deseada ajustada por el operador

de la incubadora.

Además del control de temperatura de la incubadora se decidió anexar

el monitoreo del peso del recién nacido mediante el uso del galgas

extensiométricas con el cual, se puede vigilar un cambio drástico de masa

corporal que puede indicar una desmejora en la salud del neonato, por

otra parte se anexó el monitoreo de la humedad relativa del habitáculo de

la incubadora, importante para evitar problemas respiratorios en el

paciente.

Para la operatividad del equipo, es necesario personal médico

altamente capacitado que tome en cuenta las necesidades del neonato,

dicho personal debe seguir una serie de instrucciones para el buen

funcionamiento del equipo y el bienestar del neonato, las cuales se

definirán a continuación.

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El equipo se conecta a la fuente de energía de 110 voltios

Encender el interruptor de encendido.

El regulador de temperatura tiene un rango que oscila entre 30°C y

39°C. Se procede a verificar el monitor y regular por medio del mous e la

temperatura deseada, la temperatura se mide de dos formas, por medio

de una resistencia corporal o termistor utilizado para medir la temperatura

en el neonato, y por medio de un circuito integrado especial para medir

temperatura en el ambiente (LM35) ubicado en el la parte superior

internamente dentro del habitáculo.

La humedad no tiene regulación, la cual estará vigilada por medio de

un capacitor variable el cual está en un circuito monoestable que varia la

frecuencia dependiendo de la cantidad de humedad presente en el

capacitor, esta se refleja en el monitor para llevar un control por el

operador de la misma.

Luego se procede a cerrar la compuerta que comunican el exterior con

el interior de la incubadora para aislar al neonato. En este momento ya la

incubadora se encuentra operativa para ser usada y brindarle al neonato

un ambiente confortable de acuerdo sus necesidades y los parámetros

asignados por el médico tratante.

El sistema empezará con el monitoreo de las variables, humedad, peso

y temperatura obtenidas desde los sensores, luego los valores tomados

los comparara con el patrón de referencia del microcontrolador para

llevarlo a la salida del sistema por medio de un cable serial RS-232 a un

computador personal que mediante el programa Visual Basic reflejará los

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datos en el monitor informándole al especialista medico los valores

capturados por los sensores que se muestran en el monitor para tomar las

medidas necesarias del caso.

En la necesidad que tenga el personal médico de hacer una regulación

de temperatura del sensor de piel o de la temperatura ambiente, el

monitor ofrecerá dos opciones para controlar ambas y ajustarlas a la

temperatura requerida mediante el mouse del equipo.

Tomando en cuenta que el sistema de control a aplicar es altamente

viable para el control automático de la regulación y el monitoreo en una

incubadora cerrada para neonatos, se decidió optar por un controlador

PIC mejor conocido como un microcontrolador específicamente el modelo

PIC-16F877 de la serie Microchip fabricado por Motorola ya que brindaba

la opción de controlar o reflejar muchas variables y también es un

producto accesible de manera económica y de fácil adquisición en el país ,

de igual manera aportaba el beneficio de ser el microcontrolador PIC mas

estudiado en la carrera al que optamos al titulo asi como ofrece una

programación didáctica y lógica.

MONITOREO DE HUMEDAD

El primer paso fue seleccionar el sensor que pudiese proporcionar un

cambio de algún parámetro empleado dentro de la electrónica con la

variación de humedad. Se analizaron diferentes elementos que

reaccionan con la humedad, pero resultan muy costosos o de grandes

dimensiones. Por ello se escogió un sensor de alta sensibilidad y de muy

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bajo costo además de fácil adquisición, dicho sensor es el HCH-1000 el

cual es un capacitor variable linealmente con la humedad relativa del

ambiente en que es sometido este componente electrónico.

Este elemento varia su capacidad de forma lineal entre los 300 y 400pF

aproximadamente al ser sometido en humedad de 0 a 100%, dicho

componente se muestra en la figura 11.

Figura 11 Sensor Capacitivo de Humedad. Fuente Datasheet http://catalog.gaw.ru/project/download.php?id=3181

Se toma la variación de capacitancia implementando un oscilador que

varié su frecuencia entre 0 y 2 KHz al estar la humedad relativa del medio

ambiente entre 0% y 100% mediante el circuito integrado NE555 tal como

se muestra en la figura 12en su circuito básico en modo monoestable.

Figura 12 Diagrama básico NE555 en modo monoestable. Fuente:http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/texasinstruments/ne555.pdf

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En la figura 13 el circuito usado para realizar el monitoreo de humedad.

Figura 13 Diagrama del sensor de Humedad. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

Una vez implantado el hardware del sensor de humedad relativa, fue

necesario desarrollar una función matemática que describa el sensor,

mediante la utilización de comandos de programación del lenguaje

PicBasic Pro para leer la respectiva frecuencia del sensor de humedad.

Este paso es de vital importancia ya que se implementaron las distintas

habilidades adquiridas en programación de microcontroladores PIC de tal

modo que los sensores usados tienen una precisión exacta.

MONITOREO DE PESO

En este modulo se seleccionaron dos galgas extesiométricas los cuales

son utilizado para captar la diferencia de presión y así drenar una

pequeña corriente por el orden de los microamperios que es proporcionar

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a la fuerza aplicada o el peso sobre los sensores, Las celdas que se

emplearon fueron del modelo 1022, fabricado por Vishay, estas celdas

tienen un rango de operación que va desde los 3 Kg hasta los 20Kg de

rango.

Las galgas extensiométricas proporcionan corriente por el orden de los

microamperios, el cual es muy pequeña para que pueda ser leída por el

microcontrolador, por ende se instaló un amplificador de instrumentación

de ganancia variable hasta 1000 para cumplir con los requerimientos de

amplificación, se seleccionó el AD620 el cual es un circuito integrado de

muy bajo ruido y muy alta ganancia, además de su bajo costo, fue el más

apropiado para la etapa de amplificación del modulo de peso como se

presenta en la figura 14. Luego esta señal amplificada es llevada a una

entrada analógica de microcontrolador PIC y median instrucciones de

programación del antes mencionado, junto con su respectiva fijación de

posicionamiento de los sensores junto a su calibración se obtuvieron los

valores del peso sobre las galgas extensiométricas, de tal modo que ya se

podía realizar su evaluación de funcionamiento.

Figura 14 Diagrama del sensor de peso.

Fuente:http://www.stanford.edu/class/ee122/Parts_Info/datasheets/ad620.pdf

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MONITOREO Y CONTROL DE TEMPERAT URA Para monitorear la temperatura de la piel del neonato, bastó con

implementar un divisor de voltaje entre un termistor y una resistencia para

tomar la señal de voltaje que variara dependiendo de la temperatura, una

vez obtenido este parámetro es llevado a un amplificador operacional de

ganancia unitaria para aislarlo de posibles ruidos externos y luego llevado

a un canal analógico del microcontrolador para su procesamiento

mediante el uso de programación del PIC, el amplificador operacional

seleccionado fue el OP07, que es un amplificador de muy bajo consumo

de ruido y de bajo costo accesibles en el mercado.

Dado que el termistor utilizado no es lineal con respecto a la

temperatura se empleo una función dada por el fabricante del termistor,

donde mediante el uso de interpolación se logró linealizar entre los rango

de 30 a 40 ºC, en donde la señal analógica se convierte a formato digital,

se obtiene su equivalente de resistencia y por última se sustituye en la

función, la cual nos proporciona el valor de temperatura, todo esto dentro

del microcontrolador PIC16F877.

En cuanto a la temperatura del aire se seleccionó un circuito integrado

especial para temperatura, este circuito integrado fue el LM35 el cual

opera de forma linear y en un rango de temperatura que oscila entre los

-55 a150°C, suficientes para el rango que se utilizó en la incubadora que

va desde 30 hasta 40°C, éste circuito trabaja en forma lineal por lo que no

hubo que adicionarle ningún algoritmo para linelizarlo, este componente

tiene una salida de 1 mV por grado centígrado, esta salida en mili voltios

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fue llevado a otro amplificador operacional con ganancia dos para

compensarlo a rangos de voltajes del microcontrolador .

REGULADOR DE CALOR MEDIANTE CONTROL DE FASE

La corriente eléctrica usada en la vida cotidiana es una señal

sinusoidal, al pasar esta corriente por una resistencia calórica se originará

un nivel de calor al 100% de la resistencia si le aplicamos un recorte a la

señal de la resistencia obtendremos valores más bajos de temperatura.

Para obtener los recortes se necesita una señal de referencia que este

situada en los cero voltios de la señal sinusoidal, si la salida del

transformador de toma inmediata se coloca un rectificador de onda

completa obtendremos una señal de igual nombre . Esta señal la

atenuamos con un potenciómetro y la introducimos en un circuito

disparador para transformarla en una señal cuadrada positiva de 5 voltios

de amplitud.

Con los flancos de bajada de esos impulsos situados alrededor de los

cero voltios activaremos en el microcontrolador PIC 16F877 la interrupción

externa INT y subiremos la bandera INTF. A partir de ese instante

programaremos pulsos de tiempo variable que nunca llegaran a tener más

duración, más allá del siguiente impulso de referencia y que una vez

agotado un impulso pequeño de disparo del triac, en la figura 15 se

muestra el circuito usado junto con el electroventilador encargado de

llevar el aire caliente controlado al interior de la incubadora para mantener

el neonato con una temperatura ambiente adecuada para su bienestar.

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Figura 15 Diagrama de control de disparo del calefactor. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

Luego de acoplar todos los circuitos obtuvimos como resultado el que

se muestra en la figura 16.

Figura 16 Circuito final de la incubadora. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011) Conjuntamente el circuito con todos los subcircuitos acoplados junto

con la programación del microcontrolador PIC y el programa para reflejar

los datos y el control de la temperatura realizado en Visual Basic como se

muestra en la figura 17 se cumplirían todos los 3 primeros objetivos de la

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investigación.

Figura 17 Programa de control y monitoreo. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

Cumpliendo con la fase IV de la metodología implementada que trata

sobre Construir un prototipo y el objetivo cuatro de la investigación que

es Elaborar del prototipo de sistema de control de temperatura,

monitoreo de peso y humedad en incubadora neonatales.

Se realizaron los circuitos que componen todo el sistema de control y

monitoreo utilizando baquelitas , los componentes del circuito, de igual

manera se imprimieron los circuitos para unirlos a las baquelitas e ir

soldando los componentes para obtener el siguiente resultado mostrados

en la figura 18 la parte frontal del circuito y en la figura 19 la parte

posterior del mismo.

Figura 18 Circuito parte frontal implementado. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

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Figura 19 Circuito parte posterior implementado. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

Después de obtener los circuitos se enfoco el trabajo en realizar una la

parte externa de la incubadora con un material que se adapte a las

necesidades requeridas para este tipo de investigación lo que nos llevo a

escoger el acrílico que se ilustra en la figura 20.

Figura 20 Lamina de acrilico. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

El acrílico se caracteriza por ser un material de corte preciso, resistente

y que se le puede dar forma, es por ello que se usó una fresadora de alta

precisión para realizar los cortes como se refleja en la figura 21.

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Figura 21 Corte con fresadora . Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

Luego de realizado los cortes se procedió a realizar el acoplamiento de

piezas para adherirle su respectivo pegamento como se muestra en la

figura 22.

Figura 22 Acoplamiento de piezas. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

Posteriormente se tomo la parte posterior del habitáculo para darle

forma con un generador de calor y ensamblarlo con las otras piezas

obteniendo el resultado que se muestra en la figura 23.

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Figura 23 Realización de la forma de la base. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

Realizada toda la compactación de piezas tuvimos como resultado la

parte posterior del habitáculo lo que se muestra en la figura 24

Figura 24 Finalizacion parte posterior. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

De igual manera se realizó la parte inferior del habitáculo aunque

conllevó un poco mas de dedicación ya que s e realizaron compartimientos

y ranuras que servirían para proporcionar el aire caliente por la

incubadora como se muestra en la figura 25.

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Figura 25 Finalización parte inferior. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

Finalizado la compactación de partes se óbtuvo el siguiente resultado

mostrado en la figura 26.

Figura 26 Finalizacion completa de la carcasa. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

Realizado ya el habitáculo, se procedió acondicionarlo adecuadamente

para hacer el respectivo ensamblaje de piezas, circuitos y fijar

adecuadamente todas las partes componentes del prototipo como se

refleja en la figura 27.

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Figura 27 Acoplamiento del circuito en la incubadora . Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

Por último cumpliendo con el objetivo numero V de la fase

metodológica que es Finalizar el diseño y con el quinto objetivo que trata

sobre Verificar el funcionamiento del sistema de control de

temperatura, monitoreo de peso y humedad en incubadora

neonatales mediante pruebas. Se procedió a realizar dos tipos de

pruebas, cada circuito por separado y luego todos en conjunto el cual los

valores obtenidos se reflejaban en el programa realizado en Visual Basic

como se muestra en la figura 28.

Figura 28 Pruebas en el programa. Fuente Castillo, Caura, Vazquez (2011)

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Entre las evaluaciones que se realizaron se comprobó el

funcionamiento del sensor de humedad colocándole un algodón húmedo y

verificando el cambio en la temperatura ambiente, así como la

comprobación de la temperatura en el sensor con un termómetro digital y

por ultimo colocándole una masa para comparar el valor obtenidos que

muestra el prototipo con los de un peso digital, obteniendo resultados

satisfactorios en ambas pruebas danto por finalizado el prototipo de

incubadora con un correcto funcionamiento

2. DISCUSION DE LOS RESULTADOS

Se utilizo un microprocesador PIC 16F877 para el sistema de control

de todas las variables, este puede sustituir cualquier cantidad

considerables de componentes, a parte pueden ser programados y

reprogramados para adicionarle más funciones y así satisfacer cualquier

aplicación, los resultados que se obtuvieron fueron los controles

automáticos y monitoreo de cada variable del sistema,

Se realizaron evaluaciones a todos los sensores del sistema para

realizar la rutina de programación de microprocesador, se declararon los

puertos de entrada y salida para realizar el sistema de control y

recolección de datos para mostrar los mismos en la computadora

personal mediante un medio de transmisión RS-232 emparentado con un

programa que permite la visualización de las variables, como el control de

las mismas llamado PicBasic debido a que se desarrollo una tarjeta capaz

de elegir e l medio de diferentes interfaces, ésta a su vez controla

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procesos como temperatura y monitorea peso y humedad.

Se aplicó un sistema de calefacción para mantener el neonato en

condiciones apropiadas para que se desarrolle normalmente controlando

su temperatura corporal y del medio ambiente así como monitoreando su

peso y la humedad dentro del habitáculo y proporcionar un ambiente

favorable para neonatos.

Además la tarjeta recibe información proveniente del programa

asistido por el computador de acuerdo a los datos obtenidos de la

selección y la programación interna de la tarjeta, ofrece una perspectiva

del proceso en cuestión controlado los datos y monitoreándolos.