Implementació d’un alcoholimetredeeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/968pub.pdf · - Part...

Implementació d’un alcoholimetre

Titulació: Enginyeria tècnica industrial en electrònica industrial

Autor: Joan Mariné Proenza

Director: Xavier Vilanova Salas

DATA: Gener de 2008

Implementació d'un alcoholimetre 1 Índex

1

1. ÍNDEX


2

1. ÍNDEX 1 2. MEMÒRIA DESCRIPTIVA 4 2.1 Introducció 5 2.2 Antecedents 6 2.3 Objectius 6 2.4 Estructura de l’equip (o sistema) 7 2.4.1 Part pneumàtica 7 2.4.2 Part electrònica 8 2.4.3 Principals elements del sistema 9 2.4.3.1 Sensor de gas (alcohol), muntat en PCB - Figaro TGS2620 9 2.4.3.2 Microprocesador PIC16F876A 12

2.4.3.3 Display LCD, alfanumèric, matriu de punts refractant de 8x2 16

2.4.3.4. Regulador LM317T 19 2.4.3.5. Electrovàlvula de 3 vies 21 2.5 Implementació del sistema 21 2.5.1.Placa principal 22 2.5.2 Placa del sensor d’etanol 24 2.5.3 Placa del polsador 24 2.5.4 Placa de l’interruptor i els leds 24 2.5.5 Placa de l’electrovàlvula 24 2.5.6 Carcassa 25 2.6 Software del PIC 25 2.6.1 tipus_conductor 27 2.6.2 Pressió 27 2.6.3 sensor_alcohol: 28 2.6.4 conv_adc 28 2.6.5 mostrar_LCD 29 2.6.6 main 30

2.6.7 llibreria lcd.c 30 3. MEMÒRIA DE CÀLCUL 31 3.1 Potència consumida pel sistema 32 3.2 Conversor A/D del PIC 32

3.3 Resistència del regulador 33 3.4 Resistència de polarització dels Leds 34 3.5 Caracterització del sensor d’etanol 35 3.5.1 Càlcul de la concentració d’etanol 35 3.5.2 Elecció de la resistència de càrrega 37 3.5.3 Calibració del sensor 40 4.PLÀNOLS 46 4.1 Placa principal 47 4.2 Placa del sensor d’etanol 48 4.3 Placa de l’interruptor i els Leds 49 4.4 Placa del polsador 50 4.5 Placa de l’electrovàlvula 51 4.6 Cambra del sensor 52


3

4.7 Carcassa 53 5. PRESSUPOST 54 5.1 Llistat de preus unitaris 55 5.2 Quadre descompost 56

5.2.1 Cambra i placa del sensor 56 5.2.2 Placa del interruptor i els leds: 57

5.2.3 Placa principal i carcassa 57 5.2.4 Placa del polsador 58 5.2.5 Placa electrovàlvula 58

5.3 resum del pressupost 58 6. PLEC DE CONDICONS 59 6.1 Reglament 60 6.1.1 Reglament Electrotècnic de Baixa Tensió (REBT) 60 6.1.2 Llei de seguretat vial 60 6.2 Condicions del material. 60 6.2.1 Especificacions elèctriques. 60 6.2.1.1 Alimentació 60 6.2.2 Especificacions mecàniques 60 6.2.2.1 Plaques de circuit integrat 60 6.2.2.2 Connexions de les plaques 61 6.2.3Ajustaments, assaigs i comprovacions 61 6.3 Condició de l’execució 61 6.3.1 Compra i comprovació del material 61 6.3.2 Muntatge de les plaques 61 6.3.3 Soldadura dels components 61 6.4 Condicions tècniques generals 62 7. BIBLIOGRAFIA 66 7.1 Págines web 67

Implementació d'un alcoholimetre 2 Memòria descriptiva

4

2. MEMÒRIA DESCRIPTIVA


5

2.1 Introducció Degut al gran risc que comporta conduir sota els efectes de l’alcohol, cada dia es duen a terme més controls d’alcoholemia. La ingestió d’alcohol provoca en els éssers humans, entre altres efectes:

- una alteració sensorial, principalment a la vista i la oïda - lentitud de reacció - disminució de la concentració - trastorns motors, com la no coordinació dels moviments

Tots aquests efectes són deguts al cicle que segueix l’alcohol dintre del nostre organisme. Aquest cicle comença al estómac, que al digerir els líquids els porta al fetge (a través de la vena porta) per ser filtrats. Al fetge, l’alcohol passa al corrent sanguini i aquest, a traves del cor, s’expandeix per tot l’organisme incloent-hi el cervell i els pulmons. Un cop la sang arriba als pulmons, una part de l’alcohol que té passa a l’aire. Aquesta transferència es fa als alvèols pulmonars, ja que és aquí on es fan els intercanvis de gasos (oxigen, CO2...). Degut a que als pulmons es produeix aquesta transferència de l’alcohol que hi ha a la sang, a l’aire pulmonar, es pot trobar una relació entre la concentració d’alcohol que hi ha en sang i la que hi ha en alè. A la següent imatge es pot veure millor el cicle que segueix l’alcohol al nostre organisme

Figura 1. Circuit de l’alcohol per l’organisme


6

2.2 Antecedents L'alcoholímetre és un aparell que permet detectar la concentració d’alcohol en l’alè i trobar la relació que hi ha amb la concentració d’alcohol en sang d’una forma ràpida i no invasiva. La prova d’alcoholemia mitjançant l’alcoholimetre es pot dur a terme en el mateix lloc del control, sense que faci falta agafar una mostra de sang o orina i portar-la a un laboratori per ser analitzada Actualment conduir sota els efectes de l’alcohol, apart d’una sanció econòmica, comporta perdre entre 4 i 6 punts del carnet de conduir depenent de la quantitat d’alcohol que hi hagi a l’organisme. En contra de les creences populars és impossible enganyar un alcoholímetre, ja que al bufar s’extrau tot l’aire que hi ha als pulmons, i segons la llei de Henry:

“l’aire pulmonar tindrà una concentració alcohòlica proporcional a la sang” Aquesta proporció és de 2100 a 1, és a dir, que la concentració d’alcohol per cada 2.1 litres d’aire exhalat és la mateixa que hi ha en 1 mil·lilitre de sang. Aquesta relació és deguda al cicle explicat anteriorment.

2.3 Objectius L’objectiu d’aquest projecte és la implementació d’un alcoholímetre que permeti detectar la concentració d’alcohol al organisme a partir d’una mostra d’aire pulmonar, i així fer saber al conductor si esta en condicions òptimes per conduir o no. Els alcoholímetres s’utilitzen per indicar a l’usuari si pot conduir sense posar en risc la seva vida i la vida dels altres, ja que com s’ha dit anteriorment, conduir sota els efectes del alcohol te series repercussions en les capacitats psicomotrius de les persones. Els marges permesos per llei d’etanol en sang i alè són els recollits a la taula 1:

Taula 1. Màxims permesos d’alcohol en alè i sang

Com que l’alcoholímetre s’utilitza per saber si estem en condicions de conduir o no, el seu lloc d’utilització serà el cotxe. Per tant, una manera ràpida i econòmica d’alimentar-lo és utilitzant la bateria del propi cotxe. Per això s’ha decidit incorporar-li un regulador per tal de que el nostre alcoholímetre pugui funcionar amb els 12 V que subministra la bateria del cotxe a través de l’encenedor. Un cop l’usuari connecti l’alcoholímetre a l’encenedor del cotxe, s’iniciarà i estarà a la espera de que l’usuari insufli l’aire necessari per poder començar l’anàlisi. Per poder analitzar l’aire pulmonar, i saber si el conductor està en condicions òptimes per conduir, s’han establert els següents passos:


7

- L’usuari connectarà l’alcoholimetre al encenedor del cotxe - El conductor triarà si és conductor novell o experimentat. - L’usuari insuflarà aire dins l’alcoholimetre. - Es bufarà fins que el dipòsit estigui ple i es rebi una indicació lluminosa per

parar. - Quan el dipòsit estigui ple, es tancarà el camí de l’aire cap al exterior i

s’activarà l’element encarregat de mesurar la concentració - Aquesta concentració la mostrarem a l’usuari juntament amb un missatge

indicant si el conductor està en condicions òptimes per conduir o no. - Finalment l’usuari haurà de permetre que l’aire surti a l’exterior. - Un cop l’usuari alliberi l’aire, el sistema automàticament estarà llest per realitzar

una nova mesura. 2.4 Estructura de l’equip (o sistema) Per implementar l’equip que permeti la rutina descrita, hem de dividir el hardware en dues parts:

- Part electrònica - Part pneumàtica

2.4.1 Part pneumàtica Partint del passos descrits anteriorment, per a la part pneumàtica necessitem un dipòsit que emmagatzemi l’aire, un element que impedeixi que l’aire surti del globus un cop es para de bufar i que permeti el pas de l’aire del dipòsit al sensor i un element que permeti que l’aire surti del dipòsit un cop s’ha analitzat. Per emmagatzemar l’aire pulmonar s’ha decidit utilitzar un globus, ja que és un element que, quan l’anàlisi estigui fet ens permetrà de forma ràpida i senzilla evacuar tot l’aire del dipòsit. Un cop el dipòsit està ple, l’aire emmagatzemat ha de passar a la cambra on està el sensor. Per aconseguir-ho s’ha buscat una electrovàlvula de 3 vies que impedirà que l’aire surti al exterior i permetrà el pas de l’aire al sensor. S’ha triat aquest tipus d’electrovàlvula perquè ens permet controlar el flux d’aire d’una forma senzilla. Un cop l’aire ha estat analitzat, se l’ha d’alliberar del dipòsit. Per fer-ho utilitzem una comporta manual que haurà se ser activada per l’usuari un cop s’hagi determinat la concentració d’alcohol a l’alè. S’ha posat una comporta manual desprès de la cambra del sensor perquè així, apart de buidar el dipòsit d’aire amb etanol, també buidem la cambra on hi ha el sensor i evitem que quedin restes d’aire “contaminat” per a la següent mesura. Com acabem de veure, la part pneumàtica està formada per l’electrovàlvula , la cambra on emmagatzemarem l’aire i la comporta que permetran la circulació de l’aire del dipòsit al exterior. A la Figura 2 es pot veure un diagrama esquemàtic del funcionament de la part pneumàtica:


8

Figura 2. Esquema de la part pneumàtica

2.4.2 Part electrònica Per a controlar tot el sistema s’ha decidit utilitzar un PIC, ja que ens realitzar totes les funcions necessàries pel correcte funcionament de l’equip. Amb el PIC es poden generar diferents senyals per activar l’electrovàlvula de la part pneumàtica, així com els leds que s’utilitzarien com indicadors, es poden detectar variacions de tensió a les seves entrades que poden utilitzar-se per saber mitjançant un final de carrera si el dipòsit de la part pneumàtica està ple, saber quin tipus de conductor està realitzant el control mitjançant un interruptor, i saber la concentració d’alcohol mitjançant un sensor. Per triar si el conductor és novell o professional o és un conductor experimentat, s’ha escollit un interruptor que permetrà el pas de corrent o no depenent de la seva posició. S’ha escollit un interruptor per determinar el tipus de conductor, perquè pot ser que l’alcoholimetre sigui utilitzat per diferents conductors i així cadascun escull si és novell o experimentat, depenent dels anys que faci que tenen el carnet. Aquest interruptor el connectarem a una de les entrades del PIC. Un cop s’ha escollit el tipus de conductor comencem a insuflar aire al dipòsit. Per a determinar quan el dipòsit està ple s’ha utilitzat un polsador. Quan el globus estigui ple, aquest exercirà una pressió sobre el polsador i tancarà el circuit, permeten el pas de corrent a través d’ell. Connectarem aquest polsador a una de les entrades del PIC. Mentre l’usuari està insulfant aire al dipòsit, tindrà 2 senyals lluminoses de referència, una vermella que li indicarà que ha de seguir bufant, i un altre verda que li indicarà que ja pot parar de bufar. Aquestes senyals lluminoses seran produïdes per 2 leds. S’han escollit leds degut al seu baix consum i a la seva mida reduïda. Aquests leds estaran connectats a dues sortides del PIC.


9

Un cop s’ha detectat que el dipòsit està ple, a part d‘activar el led verd, activarem una altra sortida del PIC que actuarà sobre l’electrovàlvula perquè commuti i permeti el pas d’aire al sensor d’etanol. Per determinar la concentració d’etanol a l’alè utilitzem un sensor de gasos que, entre d’altres ens permet saber quina concentració d’alcohol hi ha. Aquest sensor ens proporciona una tensió depenent de la concentració, ja que las seva rsistència interna decreix a mesura que augmenta la concentració que mesuri. Aquesta concentració serà calculada pel PIC a partir de la tensió del sensor, que obtindrà a través del conversor A/D que incorpora. Per representar la concentració utilitzem un LCD, ja que així l’usuari podrà saber d’una forma clara quin nivell d’alcohol té a l’alè i si està en condicions per conduir. Per poder alimentar el sistema a partir de la bateria del cotxe necessitem un regulador per convertir la tensió de 12 V, que obtenim del cotxe, als 5 V que necessitem per alimentar tot el sistema. S’ha escollit un regulador perquè es la forma més senzilla de aconseguir la tensió desitjada. Com acabem de veure, els components que formen la part electrònica són: un regulador, un polsador, un interruptor, dos leds, un PIC, un sensor d’etanol i un LCD, així com els component necessaris per al seu bon funcionament. 2.4.3 Principals elements del sistema Un cop establerta l’estructura general del sistema a implementar, en aquest apartat descriurem els elements claus que el composen: 2.4.3.1 Sensor de gas (alcohol), muntat en PCB - Figaro TGS2620: S’ha escollit aquest sensor degut a la seva sensibilitat i a que ens permet treballar dins del marge de temperatura i humitat de l’alè. El sensor presenta una resistència que depèn de forma exponencial amb la concentració d’alcohol. Aquesta expressió és:

* (1)rRs A C= on: Rs és la resistència del sensor A i r són una constants de sensor C és la concentració d’etanol


10

Figura 3. Relació concentració/resistència de diferents sensors: a) TGS2442, b) TGS2611, c) TGS2602, d) TGS2620

En la gràfica de la figura 3d podem observar que el sensor TGS2620, que és el escollit, ens permet detectar la concentració d’etanol dins del marge de 50 a 5000 ppm i que la resistència del sensor varia en una proporció superior a altres sensors. Aquest detall ens és molt útil, perquè entre dos valors propers de concentració d’etanol, la diferencia en la resistència del sensor és més gran i ens es més fàcil detectar aquesta variació de resistència. A la gràfica de la Figura 4 es pot veure com varia la resistència interna del sensor la temperatura i la humitat

a) b)

c) d)


11

Figura 4. Relació temperatura/resistència

Perquè el sensor funcioni correctament s’ha d’escalfar fins a la seva temperatura òptima de treball mitjançant una resistència interna RH que ha d’alimentar-se a una tensió de VH = 5 V ± 0.2 V. Per poder mesurar la resistència del sensor, que és la que canvia amb la concentració d’etanol, s’ha utilitzat el circuit en semi-pont que recomana el fabricant i que queda reflectit en la Figura 5

Figura 5. Circuit utilitzar per detectar la variació de tensió

La caixa de la Figura 5 representa el sensor d’etanol. Podem veure que la resistència d’escalfament RH té aplicada una tensió VH. Aquesta tensió és de 5 V, ja que és la tensió que ens recomana el fabricant. Això és degut a que aquesta és la resistència que


12

necessitem escalfar per detectar l’etanol. Vc s'aplica per permetre mesurar un voltatge a traves d'una resistència de carrega (RL) de 3.8 kΩ, la qual es connecta en serie amb el sensor. El càlcul del valor de la resistència està descrit al apartat 3.5.2 de la memòria de càlcul. La tensió de sortida del sensor, VHL, es connecta al port analògic del PIC. Les connexions del sensor d’etanol queden reflectides a la Taula 2:

PIN NOM FUNCIÓ CONNEXIÓ 1 VH - massa RH GND 2 VC - sortida del sensor pin 2 PIC 3 VC + alimentació RH + 5 V 4 VH + alimentació RS + 5 V

Taula 2: Connexionat del sensor d’etanol Cada sensor te els seus propis paràmetres que defineixen el comportament de la seva resistència interna. Per trobar els paràmetres del nostre sensor s’ha realitzat la seva calibració d’acord amb les següents operacions:

- Primerament s’ha connectat l’alimentació i la massa del sensor. Tot seguit s’ha introduït el sensor en una cambra hermèticament sellada de la qual només sortien els 2 cables de l’alimentació i el de la tensió de sortida del sensor.

- Desprès s’ha anat injectat certes quantitats d’etanol líquid a la cambra amb una xeringa de precisió i s’ha esperat que s’evapores per fixar una determinada concentració dins la cambra.

- Un cop l’etanol s’ha evaporat i estabilitzat, s’ha mesurat la tensió a la sortida del sensor per cada concentració.

A partir de la tensió de sortida s’ha trobat el valor de la resistència interna del sensor (Rs) i s’ha calculat els valors del paràmetres que defineixen el seu comportament. Els valors que s’han trobat de A i r són:

A = 388,41

r = - 0,39694

Aquest procés està explicat amb més detall al apart 3.5.3 de la memòria de càlcul. 2.4.3.2 Microprocesador PIC16F876A Les sigles PIC signifiquen Peripheral Interface Controller (Controlador d’Interficie Periférica). Per a aquesta sèrie de microcontroladors tenim compiladors que ens permeten programar-los en 3 llenguatges diferents: ensamblador, C++ i Basic. S’ha escollit aquest microprocesador degut a que disposa de 5 entrades amb conversor analògic/digital, varies sortides digitals i té 8 KB de memòria flash per emmagatzemar el programa.


13

Figura 6. Diagrama de blocs del PIC16F876A

En la Figura 6 presenta el diagrama de blocs del PIC, on es pot veure que incorpora un conversor A/D de 10 bits. Gràcies a aquest conversor podem obtenir les dades del sensor i actuar sobre elles. El conversor és un conversor per aproximacions successives. El que fa és comparar el valor obtingut del sensor amb un valor de referència tantes vegades com bits disposi el conversor. Si el valor de referència és més gran que el valor obtingut del sensor posem un ‘0’ al bit corresponent, si és més gran posem un ‘1’ i passem al següent bit. El PIC fa aquesta comparació tantes vegades com bits de resolució tingui el conversor. Així, al final obtenim un valor digital de la tensió introduïda al port analògic. Gràcies a les seves 2 entrades de tensió de referència per realitzar la conversió, el PIC ens permet delimitar el rang dels valors de tensió d’entrada. Així podem obtenir més precisió a l’hora de fer la conversió A/D. En el nostre cas, com que les tensions que ens proporciona el sensor d’etanol són properes als 0 V i als 5 V, no les necessitem fer servir. Nosaltres farem una conversió de 10 bits, ja que així la resolució que obtenim és major.


14

En el diagrama anterior també podem veure que el PIC disposa de 3 ports de entrada/sortida que disposen tant I/O digitals com analògiques. Podem veure que el port A consta de 5 I/O. Aquestes I/O es poden definir com a entrades analògiques o digitals o com a sortides digitals al programar el PIC. El PIC també disposa dels ports B i C que tenen 8 I/O digitals. D’aquests ports, nosaltres els utilitzarem tots 3 de la següent forma:

- PORT A: utilitzarem una entrada definida com a analògica per detectar la tensió que ens donarà el sensor d’etanol, i 2 entrades definides com a entrades digitals per connectar el polsador que ens indicarà si el dipòsit està ple i l’interruptor que ens permetrà escollir el tipus de conductor.

- PORT B: utilitzarem 2 sortides per connectar els indicadors lluminosos (leds), una altra per actuar sobre el circuit que farà commutar l’electrovàlvula que bloquejarà l’entrada d’aire i connectarà el dipòsit amb la cambra del sensor, i 4 per connectar els bits de dades del LCD.

- PORT C: utilitzarem 3 sortides per connectar els bits de control LCD Les connexions dels diferents elements al PIC queda reflectit a la Figura 5

Figura 7. Connexions del sensor, els polsadors, els leds i el LCD amb el PIC

A la Figura 7 podem veure que apart dels 3 ports descrits anteriorment, també hi ha altres entrades necessàries per al bon funcionament del PIC. Aquestes altres entrades són per connectar la alimentació i la massa del PIC, així com per connectar l’oscil·lador, per al funcionament del PIC. Com podem veure a la figura anterior, l’oscil·lador que necessita el PIC pel seu correcte funcionament ha de portar 2 condensadors de desacoplament. La funció d’aquests condensadors és eliminar el rissament del senyal. Com més grans siguin els valors d’aquests condensadors, menys rissament tindrà el senyal, però en contrapartida, aquesta tardarà més en establir-se.


15

La freqüència del rellotge influeix en el temps que triga a executar una instrucció, però també influeix en el seu consum. Com més alta sigui la freqüència del cristall, menys triga a executar-se una instrucció, però el consum d’energia del PIC augmenta. Per tant, s’ha de buscar un equilibri entre velocitat i energia. S’ha escollit un oscil·lador de 4 MHz, perquè hem comprovat que amb aquesta freqüencia la velocitat d’execució de les instruccions ens permet obtenir una resposta ràpida (del ordre de milisegons) i tenim un baix consum. L’esquema de l’oscil·lador queda reflectit a la Figura 8:

Figura 8. Connexió del oscil·lador amb el PIC

La connexió final del PIC és la recollida a la Taula 3:

PIN NOM FUNCIÓ CONNEXIÓ 1 VPP alimentació sortida del

regulador (5 V) 2 RA0/AN0 port analògic 0 sensor etanol 3 RA1/AN1 port analògic 1 Polsador 4 RA2/AN2/VREF - port analògic 2 Interruptor 5 RA3/AN3/VREF + port analògic 3 no utilitzat 6 RA4 Entrada de rellotge del Timer 0 no utilitzat 7 RA5/AN4 port analògic 4 no utilitzat 8 VSS Massa GND 9 OSC1/CLKI Entrada oscil·lador oscil·lador 10 OSC2/CLKO Sortida oscil·lador oscil·lador 11 RC0 Sortida 0 port C pin 6 LCD 12 RC1 Sortida 1 port C pin 4 LCD 13 RC2 Sortida 2 port C pin 5 LCD 14 RC3 Sortida 3 port C no utilitzat 15 RC4 Sortida 4 port C pin 11 LCD 16 RC5 Sortida 5 port C pin 12 LCD 17 RC6 Sortida 6 port C pin 13 LCD 18 RC7 Sortida 7 port C pin 14 LCD 19 VSS Massa GND 20 VDD alimentació + 5 V 21 RB0 Sortida 0 port B no utilitzat 22 RB1 Sortida 1 port B led 23 RB2 Sortida 2 port B led 24 RB3 Sortida 3 port B electrovàlvula 25 RB4 Sortida 4 port B no utilitzat 26 RB5 Sortida 5 port B no utilitzat 27 RB6 Sortida 6 port B no utilitzat 28 RB7 Sortida 7 port B no utilitzat

Taula 3: Connexions del PIC


16

A la sortida del regulador s’ha incorporat un condensador de desacoplament de 1 μF per protegir el PIC de possibles sobrepics. Tanmateix, a la entrada del regulador també hem introduït un altre condensador de 100 nF, per evitar els possibles sobrepics de la bateria del cotxe. L’esquema del circuit de protecció és:

Figura 9.Circuit de protecció del PIC

2.4.3.3 Display LCD, alfanumèric, matriu de punts refractant de 8x2 S’ha escollit aquest LCD per representar els valors obtinguts pel seu mòdic preu i a que gràcies a les seves 8x2 línies podem representar la concentració d’etanol i apart podem presentar un missatge per pantalla indicant si la concentració sobrepassa els límits establerts i per tant el conductor no està en condicions òptimes per conduir, o si pel contrari el nivell d’etanol està per sota del nivell màxim establert per llei. El display incorpora un microprocesador intern que li permet representar dades a partir de la seqüència de bits que se li enviïn des del PIC. La velocitat que ens ofereix aquest display ens permet representar el valor obtingut al analitzar l’alè, en menys de 1 segon (des de que el PIC li envia les dades). A la figura 10 es podet que es pot representar tot l’alfabet, els números del 0 al 9 i alguns caràcters especials. Tots aquest caràcters es poden representar utilitzant les 8 línies de dades o utilitzant una configuració de 4 bits. Nosaltres utilitzarem la configuració de 4 bits ja que així ens queden 4 pins d’un dels ports lliures. Per representar els valors anteriorment esmentats, el LCD rep del PIC una seqüència de bits, a traves de la línia de dades (4 bits) i de les líneas dedicades RS, R/W* i E, que li indiquen si ha de representar un caràcter i a quina direcció de memòria el pot trobar, en quina posició de la pantalla s’ha d’escriure i si s’ha descriure de dreta a esquerra o d’esquerra a dreta.


17

Figura 10.Caràcters que es poden representar al nostre LCD

Com que utilitzem una configuració de 4 bits, el PIC ha d’enviar el codi ASCII del caràcter de 2 vegades, primer envia la part alta i desprès la part baixa. Amb aquest mètode tenim l’inconvenient que triguem el doble en mostrar un caràcter, però tenim l’avantatge, com s’ha esmentat anteriorment, de que ens queden 4 bits lliures d’un dels ports del PIC. Els 4 bits de dades que no utilitzem els hem de connectar a 5 V o a 0 V per evitar que entrin interferències al LCD i aquest les interpreti com una seqüència de dades. La línia E del LCD serveix per activar o desactivar la pantalla, per tant ha d’estar a 1 sempre que vulguem visualitzar alguna cosa al LCD. La línia RS indica si el contingut dels 4 bits de dades són realment dades (RS valdria 1) o paràmetres per realitzar alguna funció de control del LCD.(RS valdria 0) La línia R/W* indica si llegim (1) o escrivim (0)


18

Tot seguit explicarem quina seqüència de caràcters s’ha d’enviar al LCD per tal de que funcioni correctament: Per representar un caràcter s’ha d’enviar aquesta seqüència:

RS R/W* D7 D6 D5 D4 1 0 Codi ASCII del caràcter a representar

Amb això el que fem és:

- Com RS val 1, indiquem que els bits D4-D7 contenen el codi ASCII del caràcter a representar.

- En aquest cas el que fem es escriure a la pantalla el codi enviat, doncs R/W* val 0

- D7-D4 indica el codi ASCII del caràcter que s’ha de mostrar per pantalla. Per netejar la pantalla enviem aquesta seqüència:

RS R/W* D7 D6 D5 D4 0 0 0 0 0 0

En aquest cas tenim:

- RS ens indica que el que fem es una funció de control, en aquest cas netejar la pantalla

- Al igual que avans és una funció d’escriptura, per tant R/W* val 0 - D7-D4 en lloc de contenir el caràcter que volem que surti per pantalla, té 0. Amb

això esborrem la pantalla i col·loquem el cursor a la primera posició. Tots aquests paràmetres són interpretats pel microcontrolador intern del LCD, que és el que s’encarrega del correcte funcionament de la pantalla. Gràcies a la rutina que porta incorporada el compilador utilitzat per programar el PIC, no cal preocupar-se d’enviar aquesta seqüència de bits, ja que el propi compilador la genera a partir del que s’ha programat a alt nivell. Un exemple es quan nosaltres programem el PIC perquè ens mostri un missatge pel LCD que posi:

printf(lcd_putc," hola "); El PIC automàticament envia la seqüència

RS R/W* D7 D6 D5 D4 1 0 Codi ASCII

on el codi ASCII és el codi ASCII de la ‘h’, la ‘o’, la ‘l’ i la ‘a’ També hi ha altres seqüències que permeten invertir l’ordre d’aparició dels caràcters(apareixen de dreta a esquerra) i en quina línia i posició volem començar a mostrar les dades. El LCD necessita un potenciòmetre per regular el seu contrast, ja que depenent de la tensió que rebi el pin 3, les lletres seran més fosques o més clares. Per poder controlar


19

aquest contrast s’ha col·locat un potenciòmetre de 10 kΩ connectat al pin 3 tal i com s’ha descrit anteriorment. L’esquema de la alimentació i del potenciòmetre per regular el LCD és:

Figura 11. Alimentació i contrast del LCD

Per tant, les connexions finals del LCD són les reflectides a la Taula 4:

PIN NOM FUNCIÓ CONNEXIÓ 1 Vss Massa GND 2 Vdd alimentació + 5 V 3 Vee contrast de lletres Potenciòmetre 4 RS selecció de mode pin 12 PIC 5 R/W* lectura/escriptura pin 13 PIC 6 E Habilitació pin 11 PIC 7 D0 bit de dades 0 GND 8 D1 bit de dades 1 GND 9 D2 bit de dades 2 GND 10 D3 bit de dades 3 GND 11 D4 bit de dades 4 pin 15 PIC 12 D5 bit de dades 5 pin 16 PIC 13 D6 bit de dades 6 pin 17 PIC 14 D7 bit de dades 7 pin 18 PIC 15 A ànode + 5 V 16 K càtode GND

Taula 4: Connexions del LCD 2.4.3.4. Regulador LM317T Com s’ha dit anteriorment, l’alcoholimetre s’alimentarà a través de la bateria del cotxe, però aquesta ens subministra 12 V i el PIC, el LCD i el sensor necessiten 5 V, per tant necessitem un sistema per reduir aquesta tensió de 12 V a una de 5 V. Per reduir-la utilitzarem el regulador LM317T, que mitjançant 2 resistències ens permet obtenir la tensió desitjada a la sortida. L’esquema del regulador és el de la Figura 12:


20

Figura 12. Esquema del regulador

Aquest regulador necessita les resistències R5 i R4 per obtenir la tensió desitjada a la sortida. El fabricant ens proporciona una expressió a la qual tenim la tensió de sortida en funció d’aquestes 2 resistències. L’expressió és:

5

54

*(1 ) *O REF ADJRV V I RR

= + +

Al apart 3.3 de la memòria de càlcul estan calculats els valors necessaris d’aquestes resistències per obtenir la tensió desitjada a la sortida. S’ha incorporat un condensador de 0,1 μF a la entrada per minimitzar les possibles fluctuacions de tensió que arribin al regulador des de la bateria i un altre condensador de 1 μ a la sortida per tenir el mínim arrissat possible. Un cop s’ha muntat el regulador i s’ha observat que la tensió a la sortida era de 5,09 V, un valor que esta dins dels marges permesos de funcionament de les diferents parts del sistema, ja que aquestes poden funcionar a 5 V ± 0.2 V Els elements que seran alimentats amb aquest regulador a 5 V són:

PIC LCD

Sensor d’etanol Polsador de tria de conductor

Interruptor que indica si el dipòsit està ple

Taula 5: Elements que funcionen a 5 V Les connexions del regulador són les recollides a la Taula 5:

PIN NOM FUNCIÓ CONNEXIÓ 1 ADJ terminal ajustable resistències 2 Vout sortida del regulador alimentació PIC 3 Vin entrada del regulador encenedor cotxe

Taula 6: Connexions del regulador de tensió


21

2.4.3.5. Electrovàlvula de 3 vies

L’electrovàlvula serà l’encarregada de mantenir l’aire dins del globus un cop la cambra està plena, i de portar l’aire cap a la cambra on està el sensor de un cop rebi el senyal del PIC. S’ha escollit una electrovàlvula de 3 vies perquè així podem regular la circulació del aire des de l’exterior al globus o des del globus fins al sensor d’etanol. Com que el senyal del PIC és massa baix per a poder activar l’electrovàlvula, necessitem una etapa que l’amplifiqui. Per amplificar el senyal utilitzarem un transistor MOSFET i un rele alimentats a 12 V. El circuit de l’etapa de potència és el de la Figura 13:

Figura 13. Esquema de la etapa de potencia

Podem veure que a la sortida del rele és on va connectada l’electrovàlvula, ja que així podem activar-la segons ens convingui. Podem veure que també tenim un diode per evitar que els corrents en inversa provocats per el rele danyin el PIC.

PIN NOM FUNCIÓ CONNEXIÓ 1 Vdd alimentació Encenedor del

cotxe 2 Vss massa GND 3 Vout Commutació de

l’electrovàlvula Entrada electrovàlvula

4 Vin Senyal de commutació Port del PIC Taula 7: Connexions del regulador de tensió 2.5 Implementació del sistema Un cop s’han decidit quins seran els components que utilitzarem, s’ha passat a ubicar-los en plaques PCB. El criteri utilitzat per agrupar-los ha estat la seva col·locació en el conjunt del sistema i la necessitat de la seva proximitat. Un cop s’han definit aquestes necessitats, s’ha decidit que el sistema estarà format per 5 plaques:

- la placa principal que contindrà el PIC. En aquesta placa també s’ubicarà el regulador de tensió descrit a l’apartat 2.4.3.4. que ens facilitarà l’alimentació dels elements tant d’aquesta placa principal com de les altres que precisin una alimentació de 5 V.


22

- una altre placa contindrà el sensor d’etanol (que anirà allotjat dins una cambra solidaria a la pròpia placa) i el seu circuit de condicionament descrit a l’apartat 2.4.3.1

- una placa que contindrà el polsador per saber si el dipòsit està ple o no - una altre placa que actuarà d’interfície amb l’usuari i contindrà un interruptor

per triar si el conductor és novell o experimentat i els led que indicaran si s’ha de seguir bufant o ja es pot parar

- un altre que contindrà la electrovàlvula i els elements necessaris per al seu funcionament.

Totes aquestes plaques envien o reben senyals de la placa principal. Amb l’esquema de la Figura 14 podem veure quins senyals rep i envia cada placa a la placa principal:

Figura 14. Esquema de les senyals de les plaques del sistema

Tot seguit descriurem amb més detall cada placa. 2.5.1. Placa principal La placa principal contindrà el regulador, l’oscil·lador necessari per al seu funcionament, el propi PIC i els diferents connectors per interconnectar aquesta placa amb les altres. L’esquema d’aquesta placa principal és el de la Figura:

Figura 15. Esquema simplificat de la placa principal


23

El PIC és l’encarregat de processar les dades que li arriben des del sensor d’etanol i des dels polsadors i de generar les senyals corresponents per a seguir amb el procés. Per això s’ha connectat els ports del PIC a diferents connectors per que aquest pugui rebre i portar les senyals de les altres plaques. Sobre de cada línia es poden veure el número de línies que connecten en PIC amb les diferents plaques sense tenir en compte l’alimentació i la massa, ja que totes les altres plaques necessiten la seva corresponent alimentació. Les connexions del PIC amb els connectors son:

Figura 16. Connexions el PIC amb els diferents connectors

Podem veure 2 connectors de 2 pins. Aquests connectors van connectats al port A del PIC i reben els senyals de la placa del polsador per saber si el dipòsit està ple i a l’ interruptor per triar el tipus de conductor. També tenim un connector de 3 pins que va al sensor d’etanol. Amb aquest connector alimentarem la placa del sensor (+5 V i massa) i rebrem la tensió que obtenim a la sortida d’aquest. Tenim un connector de 10 pins connectat al port B del PIC. Aquest connector porta les senyals procedents del PIC a les plaques que contenen l’electrovàlvula i els leds, i envia les bits de dades al LCD. A través d’aquests connector també portem l’alimentació de 12 V i la massa a la electrovàlvula. El connector de 16 pins connectat al port C del PIC que va al LCD i porta els bits de control. A traves d’aquest connector també alimentem el LCD. Un cop s’ha tingut la placa dissenyada s’ha passat a fer el corresponent Layout (veure plànol 1)


24

2.5.2 Placa del sensor d’etanol Aquesta placa portarà el sensor d’etanol, la resistència per mesurar la tensió que ens doni el sensor i un connector de 3 pins per connectar-la amb la placa principal. Per aquest connector arribarà la tensió necessària per al funcionament des de la placa principal i farem arribar a aquesta placa la tensió de sortida que informarà sobre la concentració d’etanol. Solidaria a la pròpia placa col·locarem la cambra que allotjarà el sensor d’etanol. El disseny d’aquest cambra es pot trobar al plànol 6 El Layout definitiu de la placa es pot trobar al Plànol 2 2.5.3 Placa del polsador Aquesta placa portarà el polsador normalment obert, que ens indicarà si el dipòsit està ple d’aire, i per tant podem passar a la següent fase, i un connector de 2 pins que connectarà aquesta placa amb la placa principal. Per un dels pins del connector rebrem una tensió de 5 V procedents de la placa principal, i a l’altre pin tindrem la sortida del polsador, així si aquest esta obert, el PIC rebrà una tensió de 0 V i donarà la ordre de que es segueixi bufant, o si el dipòsit ja està ple, el globus exercirà una pressió sobre el polsador que farà que es tanqui i el PIC rebrà una tensió de 5 V i donarà la ordre de que es pari de bufar El Layout i el schematic de la placa es pot trobar al Plànol 4 2.5.4 Placa de l’interruptor i els leds Aquesta placa, juntament amb el LCD serà una interfície amb l’usuari, ja que aquest haurà de col·locar l’interruptor en una posició o un altre per determinar el tipus de conductor, i haurà de mirar els leds per saber si ha de seguir insuflant aire o si ja pot parar. La placa disposarà d’un connector de 3 pins i un altre de 2, que portaran l’alimentació i la massa des de la placa principal, així com els senyals que faran activar els leds i la sortida del interruptor que ens permetrà determinar si el conductor es novell o experimentat. El interruptor que utilitzem és un 3c/2p mini, el qual té 2 posicions enviarà al PIC una senyal a nivell alt o a nivell baix depenent de la seva posició. Perquè els leds funcionin correctament necessiten que a través seu passi un corrent. Per aconseguir aquest corrent necessitem una resistència de polarització. El valor d’aquesta resistència és diferent per a cada led, ja que depenent del seu color el corrent que necessiten és diferent, i per aconseguir-lo necessitem resistències diferents, que estan calculades a l’apartat 3.4 de la memòria de càlcul. El Layout i el schematic de la placa es pot trobar al Plànol 3 2.5.5 Placa de l’electrovàlvula Aquesta placa portarà el material necessari per al correcte funcionament de l’electrovàlvula (veure apartat 2.4.3.5 ). L’electrovàlvula escollida es una electrovàlvula de 3 vies alimentada a 12 V, ja que aquesta es la tensió que ens proporciona la bateria del cotxe.


25

Com s’ha esmentat anteriorment, necessitem una electrònica de potència per amplificar la senyal del PIC, ja que aquesta per sí mateixa no és suficient per activar l’electrovàlvula. Aquesta placa, a part, haurà de portar un connector per a l’electrovàlvula, ja que aquesta estarà col·locada a la entrada del sistema tal i com s’ha mostrat a l’esquema de la part pneumàtica. Aquesta placa pot necessitar un apantallament degut a que les commutacions del rele i de l’electrovàlvula poden causar interferències electromagnètiques al PIC provocant falsos nivells alts quan el que tenim es un nivell baix. El Layout i el schematic de la placa es pot trobar al Plànol 5

2.5.6 Carcassa Totes les plaques del sistema, així com la cambra que contindrà el sensor i el dipòsit on estarà situat estaran dins d’una carcassa que protegirà les diferents parts i les agruparà de tal forma que el volum total sigui el mínim possible per al correcte funcionament del conjunt global. S’ha decidit que la placa principal anirà situada a la part inferior de la carcassa, en una caixa que ocuparà per complet. Sobre aquesta caixa, es podrà muntar més fàcilment la placa on hi ha el polsador que indica si el dipòsit està ple o no. Un altre opció hagués estat col·locar la placa principal en una caixa que fos de la seva mida justa, però si féssim això igualment desaprofitaríem un espai a la inferior de la carcassa, ja que aquest no podria ser utilitzar per la cambra on hi ha el globus ni per cap altre element del sistema. S’ha decidit fer el mateix per a la placa que té el material per activar l’electrovàlvula, i la pròpia electrovàlvula. Com que l’electrovàlvula ha d’anar a la part superior de la carcassa, s’ha decidit reservar un espai només per aquest material a la part superior. Els elements que són per mostrar els resultats o perquè l’usuari actuï sobre ells s’han post enganxats a la carcassa Al plànol 7 és pot veure com aniríem situades les diferents parts dins de la carcassa. 2.6 Software del PIC Un cop s’han tingut les diferents plaques muntades, s’ha carregat el codi al PIC i s’ha comprovat el correcte funcionament de cada una de les parts del sistema. Abans de programar el PIC s’ha simulat el codi mitjançant el programa Proteus, que ens ha permès fer el nostre sistema de forma virtual per a depurar-lo i veure com funcionaria. Per compilar el codi s’ha utilitzat el compilador Ccs Pcwh 3.249, ja que incorpora les diferents llibreries que ens permetran programar el PIC d’una forma fàcil. Aquest compilador té llibreries que ens permeten representar caràcters enviant-los directament al LCD sense que ens haguem de preocupar si aquest està llest o no, ja que és la pròpia llibreria que afegim la que s’encarrega d’això.


26

Tot seguit hi ha una descripció del software implementat. El programa principal simplement es limita a anar cridant diferents rutines. S’han implementat un total de 5 rutines, mostrades a la Figura 17 on cada quadrat representa una rutina.

Figura 17. ordre d’execució de les rutines

A part de les rutines, també necessitem definir el tipus d’oscil·lador que utilitzem, les llibreries, algunes ordres per al funcionament del PIC i variables per comunicar les diferents rutines. Per calcular la concentració necessitem la llibreria math.h que ens permetrà fer totes les operacions matemàtiques necessàries. Per facilitar la programació hem declarat totes les variables com a globals. Les variables creades són: float Vo; int concentracio,novell; int16 valor=0,mitja=0; float rs,rsmitja=0;


27

on: Vo és el valor que ens proporciona el conversor A/D el PIC a partir de la tensió del sensor A concentració guarden el valor de la concentració que mostrarem pel LCD novell serveix per saber si el conductor és novell o no depenent de si val 1 o 0 A valor guardem el resultat de les 10 conversions A/D que fem per assegurar-nos que la tensió del sensor s’ha estabilitzat Mitja, és el valor mig de les 10 conversions rsmitja i rs són variables auxiliars que ens ajuden a calcular la resistència interna del sensor, ja que la necessitem per calcular el valor de la concentració

Tot seguit passarem a descriure en detall cada rutina: 2.6.1 tipus_conductor: Aquesta rutina comprova si al pin 4 del PIC hi ha una senyal a nivell alt o a nivell baix (1 o 0) i dona a la variable novell el mateix valor que el pin 4. El codi d’aquesta rutina és: void tipus_conductor() novell= input(PIN_A2); 2.6.2 Pressió: Aquesta rutina espera fins que el polsador que indica que el dipòsit està ple, posa l’entrada corresponent a nivell baix. Mentre no dona senyal, manté activada la sortida corresponent al led vermell (encès), desactivada la corresponent al led verd (apagat) i mostra un missatge indicant que el dipòsit està vuit i el tipus de conductor que realitza la prova. Mentre el dipòsit no estigui ple, aquesta rutina accedeix a la rutina tipus_conductor, ja que pot ser que, mentre l’usuari està insuflant aire, s’he n'adoni que no ha escollit bé el tipus de conductor. Un cop es rep el senyal del polsador, es canvia l’estat de les sortides anteriors produint l’apagada del led vermell i l’encesa del led verd. També activa la sortida del PIC que fa commutar l’electrovàlvula. Desprès de commutar l’electrovàlvula esperem un cert temps abans de passar a la següent fase per donar temps que l’aire del dipòsit arribi a la cambra on està el sensor. El codi generat és: void presio() while(input(PIN_A1)!=0) lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,"vuit"); output_high(PIN_B7); output_low(PIN_B6); tipus_conductor(); if(novell==1) lcd_gotoxy(1,2);


28

printf(lcd_putc,"novell"); else lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"expert"); output_high(PIN_B6); output_low(PIN_B7); printf(lcd_putc,"\f"); delay_ms(2000); 2.6.3 sensor_alcohol: Aquí accedim a la rutina que fa la conversió analògic/digital. Aquesta operació la fem 10 vegades i emmagatzemem el resultat. Un cop hem fet les 10 conversions, busquem el valor mig d’aquestes conversions i comprovem que el senyal que rebem del sensor sigui estable. Per fer-ho comparem la mitja de les 10 conversions amb l’últim valor obtingut. Si no es estable tornem a agafar 10 mostres i tornem a comprovar que el senyal ja s’ha estabilitzat. Un cop tenim la tensió que ens dona el sensor, calculem el valor de la resistència interna del sensor, tal i com s’ha descrit al apartat 5 de la memòria de càlcul Un cop tenim el valor de la resistència interna del sensor calculem la concentració amb l’expressió 11 del apartat 3.5.3 de la memòria de càlcul i mostrem els resultats pel LCD Aquesta rutina rep la variable Vo de la rutina conv_adc(), i conté el valor de la tensió de sortida del sensor i envia la variable concentració a la rutina mostra_LCD. El codi generat és: void sensor_alcohol() int1 sortir; int i; output_low(PIN_B7); output_low(PIN_B6); output_high(PIN_B5); do

for(i=0;i<10;i++) conv_adc();

valor = Vo+valor;

mitja=valor/10;

if((mitja*0.05+mitja)>=Vo && (mitja-mitja*0.05)<=Vo) rs=3830*(256-Vo)/Vo; rsmitja= rs/388,41; concentracio =exp( -2.51923 * log(rsmitja) );

sortir=1;

else printf(lcd_putc,"esperi"); sortir=0;


29

while(sortir==0); 2.6.4 conv_adc: Aquí convertim la tensió analògica del sensor a un valor digital amb el qual podem realitzar les operacions. En total fem 10 conversions per assegurar-nos que el valor que agafat és el correcte i per poder detectar possibles errors a la conversió o al mostreig. El codi generat és: void conv_adc(void) set_adc_channel(0); delay_ms(2); Vo=read_adc(); Aquí hem introduït un petit retard per assegurar-nos que el senyal que obtenim del conversor s’ha estabilitzat. La propia funció read_adc() s’encarrega de preaparar el conversor, fer la conversiö i agafar el valor obtingut d’aquesta quan estigui preparat. 2.6.5 mostrar_LCD: Un cop tenim la concentració d’alcohol en alè, s’ha de mostrar els resultats a l’usuari. En aquesta rutina mostrem la concentració d’alcohol en mg/l juntament amb un missatge que indica a l’usuari, en funció de la seva experiència com a conductor, si pot conduir o no. Aquesta rutina rep la variable que conté la concentració des de la rutina sensor_alcohol i la variable novell des de la rutina tipus_conductor. Un cop sap la concentració, la compara amb el valor màxim permès per al tipus de conductor (0,15 mg/l per als novells i 0,25 mg/l per als experimentats), i mostra el missatge pertinent. El primer que hem fet ha estat mostrar els missatges que són iguals per als 2 tipus de conductors, és a dir, si la concentració està per sota de 0.15 mg/l (els 2 seran aptes) o si esta per sobre de 0.25 mg/l (els 2 seran no aptes). Un cop hem fet això, i amb la variable novell hem mirat si la concentració estava per sobre de 0.15 mg/l i el conductor era novell o experimentat, i hem mostrat un missatge d'acord amb cada situació. El codi generat és: void mostra_LCD() lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,".%d mg/l",concentracio); if(concentracio < 0.15) lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc(" ")); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc("apte")); if(concentracio > 0.25) lcd_gotoxy(1,2);


30

printf(lcd_putc(" ")); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc("no apte")); else if((concentracio > 0.15)&(novell==1)) lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc(" ")); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc("no apte")); else if((concentracio > 0.15)&(novell==0)) lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc(" ")); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc("apte")); 2.6.6 main: Des del main el que fem és configurar el port C del PIC fent que sigui on hi ha els bits de control del LCD, configurar el conversor i cridar les diferents rutines del programa. El codi generat és: void main() set_tris_C(0b00000000); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); setup_adc_ports(RA0_analog); lcd_init(); diposit(); printf(lcd_putc,"\f"); while(input(PIN_A1)==1) sensor_alcohol(); mostra_LCD(); ; 2.6.7 llibreria lcd.c El propi compilador porta un llibreria que permet connectar el LCD amb el PIC. Aquesta llibreria s’encarrega d’enviar la seqüència d’inicialització del LCD i de dividir el codi dels caràcters per enviar-ho en dues trames, ja que utilitzem una connexió de 4 bits, i per tant el codi ASCII dels caràcters s’ha d’enviar en dues trames.

Implementació d'un alcoholimetre 3 Memòria de càlcul

31

3. MEMÒRIA DE CÀLCUL


32

3.1 Potència consumida pel sistema Per triar el regulador necessitem saber si aquest serà capaç de proporcionar al sistema la potència que necessita. Per determinar la potencia total del sistema primer hem identificat els elements que més potència consumien, i desprès hem buscat als seus corresponents datasheets quina era aquesta potencia. Per a alguns components, el datasheet no ens especificava la potencia consumida, però ens proporcionava quin corrent consumia per un determinat voltatge de funcionament. Com que teníem aquest valor, hem aplicat la llei d’Ohm i hem trobat les potències d’aquest components. La llei d’Ohm ens diu que:

* (1)P V I= Com que el datasheet ens proporciona el valor de V i de I, hem aplicat l’expressió 1 i hem trobat les següents potències:

LCD PIC Corrent (V) 5 5 Voltatge (mA) 70 25 Potència (mW) 350 125

Taula 8: potències consumides Els elements que més potencia consumeixen, i el valor d’aquesta està reflectida a la següent taula:

Element Potència consumida Sensor d’etanol 210 mW (heater) + 15 mW (circuit extern) LCD 350 mW PIC 125 mW Total: 700 mW

Taula 9: potencia consumida pels principals elements del sistema Els elements més importants del sistema consumeixen una potència total de 700 mW. També hem de tenir en compte que també hi ha altres elements que consumeixen, encara que aquesta és inferior als elements anteriorment esmentats. Segons el datasheet del nostre regulador, aquest pot entregar una potència de fins a 20 W, per tant el regulador escollit compleix les especificacions necessàries per al correcte funcionament de tot l’equip. 3.2 Conversor A/D del PIC Com que tenim el PIC configurat perquè faci la conversió analògic - digital en 10 bits la resolució que obtindrem serà de 5 mV. Tot seguit explicarem d’on surt aquest valor:


33

- Com que el PIC està configurat a 10 bits, el valor màxim que podrem obtenir de la conversió és:

2 (1)nvalor màxim = on: n és el número de bits que utilitzem per fer la conversió. Com que n val 10, si apliquem la fórmula anterior obtenim que el valor màxim que podem obtenir amb la conversió és.

102 1024 (2)valor màxim = = Però com que també contem el valor 0, el rang de valors que podem obtenir anirà de 0 a 1023.

- Un cop tenim el valor màxim, com que sabem que el valor d’entrada del port analògic no sobrepassarà els 5 V podem saber el valor mínim que podem detectar. Això ho fem dividint el valor màxim de la entrada entre el valor màxim de la codificació de la següent forma:

max (3)2n

Vresolució =

Per tant, si donem valors a la equació anterior, obtenim que la resolució aproximada de la conversió és:

10

5 5 5 (4)2 1024

resolució mV= = =

Una diferencia per sota de 5 mV a la entrada del PIC no la podem discriminar 3.3 Resistència del regulador El fabricant ens proporciona la següent expressió que defineix el comportament del regulador:

22

1

*(1 ) * (1)O REF ADJRV V I RR

= + +

On: Vo és la tensió a la sortida del regulador VREF la tensió de referència entre la sortida i el terminal ajustable R2 és la resistència a la sortida del terminal ajustable R1 és la resistència que va del terminal ajustable a la sortida IADJ és el corrent que subministra el terminal ajustable El propi regulador, un cop rep una tensió d’entrada, genera una VREF de 1.25 V El fabricant recomana una R1 de 240 Ω IADJ és un corrent molt petit (< 100 μA) que en el nostre cas es pot depreciar i per tant el terme IADJ*R2 podem dir que és 0, per tant l’expressió que ens queda és:


34

2

1

*(1 ) (2)O REFRV VR

= +

Per tant si donem els valors que tenim a la expressió 1 tenim:

25 1.25*(1 ) (3)240R

= +

Per obtenir una tensió de 5 V s’ha de escollir un valor de R2. Si aïllem R2 tenim:

25( 1)*240 (4)

1.25R = −

Operant ens surt un valor de R2 de 720 Ω. Com que aquest no és un valor comercial es busca el valor comercial més proper que és 680 Ω. Per assegurar que el valor de 680 Ω serveix es busca quin valor tindrà la sortida si el valor de R2 és de 680 Ω. Si es donen els valors a la expressió 1 es té:

6801.25*(1 ) (5)240OV = +

Operant surt que Vo tindrà un valor de 4.8 V. Aquest valor és correcte per alimentar el PIC, el LCD i el sensor de etanol, ja que el que té una alimentació més restrictiva és el sensor d’etanol que ha de ser alimentat amb una tensió de 5 ± 0.2 V.

3.4 Resistència de polarització dels Leds Per a determinar la resistència de polarització dels leds utilitzem la següent expressió.

ledV - VR = (1)I

On V és la tensió subministrada al led

Vled és la caiguda de tensió al led I és el corrent de polarització

La tensió que subministrem als leds és de 5 V, ja que és la que s’obté a la sortida del PIC. Un cop tenim aquest valor, busquem al datasheet dels leds la seva Vled. Els valors obtinguts han estat:

Vledvermell = 1.6 V Vledverd = 2.4 V


35

Ara busquem la intensitat mitja que passa pels leds. Aquest valor és el mateix per als 2 leds. El valor de I és:

Iverd = Ivermell = 10 mA Un cop tenim aquest valors els substituïm a la expressió 1 i obtenim:

vermell -3

5 - 1.6R = (2)10*10

verd -3

5 - 2.4R = (3)10*10

Si operem, obtenim els següents valors de resistència:

vermell

verd

R = 340

R = 260

Ω

Ω

Els valors comercials per a aquestes resistències són:

vermell

verd

R = 340 330

R = 260 270

Ω → Ω

Ω → Ω

Connectant les Leds directament al PIC, sense resistències, també obteníem el resultat desitjat, però hem optat per introduir igualment les resistències perquè així el corrent que subministra el PIC és més petit, i per tant la potència consumida també és inferior. 3.5 Caracterització del sensor d’etanol Per caracteritzar el sensor, s’ha realitzat el següent procediment:

- Primerament s’ha connectat convenientment el sensor. Tot seguit s’ha introduït el sensor en una cambra hermèticament sellada, de la qual només sortien els 2 cables de l’alimentació i el de la tensió de sortida del sensor.

- Desprès s’ha anat injectat certes quantitats d’etanol líquid a la cambra amb una xeringa de precisió i s’ha esperat que s’evapores.

- Un cop l’etanol s’ha evaporat i estabilitzat, s’ha mesurat la tensió a la sortida del sensor.

3.5.1 Càlcul de la concentració d’etanol Per saber la relació entre la concentració d’etanol i la tensió que ens proporciona el sensor s’ha calculat la concentració que injectàvem de la següent manera: Primer s’ha mirat quina és la massa d’etanol en grams que correspon al líquid injectat. Per fer-ho s’ha fet:

Mgas=Vliquid * densitat (1)


36

On: Mgas és el la massa d’etanol hi ha a la cambra en grams Vliquid és el volum de líquid injectat a la cambra en cm³ La densitat és la del etanol que és de 0.81 g/cm³

El volum de líquid injectat està en μl. Per tant, s’ha de passar a cm³. Per fer-ho multipliquem la quantitat de líquid injectat per 310− . A partir del volum de líquid en cm³ podem calcular el volum de gas amb l’expressió 1. Els resultats obtinguts han estat:

Volum líquid (μl) massa de gas (mg)

0 00,05 0,0405

0,1 0,0810,15 0,1215

0,2 0,1620,25 0,2025

0,3 0,2430,35 0,2835

0,4 0,3240,45 0,3645

0,5 0,4050,55 0,4455

0,6 0,4860,7 0,5670,8 0,6480,9 0,729

1 0,81Taula 10: relació entre el volum de líquid i de gas

Un cop s’ha tingut la massa d’etanol que correspon al volum de líquid injectat s’ha dividit la massa de gas pel volum de la cambra i així s’ha sabut la concentració d’etanol en mg/l que hi havia a la cambra.

C = gas

cambra

MV

(2)

On:

Mgas és la massa d’etanol hi ha a la cambra en mil·ligrams Vcambra és el volum de la cambra en litres C és la concentració en mg/l.

A partir de l’expressió 2 i de la taula anterior podem calcular la concentració d’etanol a partir de la quantitat de líquid introduïda.


37

Els resultats són:

Volum líquid (μl) Massa de gas (mg) Concentració (mg/l) 0 0 0

0,05 0,0405 0,0224 0,1 0,081 0,0447

0,15 0,1215 0,0671 0,2 0,162 0,0894

0,25 0,2025 0,1118 0,3 0,243 0,1342

0,35 0,2835 0,1565 0,4 0,324 0,1779

0,45 0,3645 0,2012 0,5 0,405 0,2236

0,55 0,4455 0,246 0,6 0,486 0,2683 0,7 0,567 0,313 0,8 0,648 0,3578 0,9 0,729 0,4025

1 0,81 0,4472 Taula 11: concentració depenent el volum de líquid injectat

3.5.2 Elecció de la resistència de càrrega El procés de caracterització del sensor s’ha repetit per a diferents resistències de càrrega, ja que depenent del valor d’aquesta, la tensió a la sortida del sensor varia. Els resultats obtinguts han estat:

R=3,9kΩ R=8.2kΩ R=10kΩConcentració (mg/l) tensio tensio tensio

0 0,8 1,49 1,990,0224 3,28 4,05 4,170,0447 3,6 4,27 4,380,0671 3,83 4,39 4,480,0894 3,98 4,46 4,520,1118 4,08 4,5 4,550,1342 4,14 4,52 4,570,1565 4,18 4,55 4,580,1779 4,21 4,575 4,590,2012 4,22 4,585 4,590,2236 4,235 4,59 4,60,246 4,26 4,6 4,6

0,2683 4,27 4,6 4,610,313 4,28 4,61 4,62

0,3578 4,3 4,62 4,630,4025 4,31 4,62 4,6350,4472 4,32 4,62 4,64

Taula 12: tensió obtinguda amb diferents resistències de càrrega Entre tots els valors possibles hem escollit la resistència de 3,9 kΩ perquè és la que ens oferia un millor resultat. Amb una resistència de 1 kΩ obteníem més pressió, però les interferències que teníem eren tan grans que distorsionaven el resultat fent donar falsos positius.


38

Com que el positiu per a conductors novell és a partir de 0,15 mg/l i el d’experimentats és a partir de 0,25 mg/l, podem veure que si posem una resistència de càrrega de 3,9 kΩ la diferencia de tensió entre el positiu del conductor novell i el del conductor experimentat és de 50 mV, mentre que si posem una resistència de 10 kΩ la diferencia de tensió és de només 10 mV i de 25 mV per la de 8,2 kΩ Amb la resistència de 3,9 kΩ l’interval de tensions des de concentració 0 mg/l fins al positiu del conductor novell també és superior que amb les altres resistències, amb la qual cosa reduïm el risc de que es produeixi un fals positiu degut a la proximitat de 2 tensions. A la figura 18 podem observar com varia la tensió de sortida en funció de la concentració depenen de la resistència de càrrega que posem.

Figura 18. Valor de sortida depenen de la concentració

La primera línia vertical marca el límit del conductor novell, i la segona el límit del conductor experimentat. Aquí podem apreciar més fàcilment que l’increment de tensió fins al positiu del conductor novell és superior per a la resistència de 3,9 kΩ. Per altra banda, segons el datasheet del sensor, aquest no pot dissipar una potència superior als 15 mW. Degut a això s’ha de vigilar la resistència de càrrega que posem, ja que una resistència molt petita pot fer que sobrepassem aquest valor i cremem el sensor. El propi datasheet ens indica quina expressió s’ha d’utilitzar si volem saber la potència dissipada pel sensor. La expressió és:

2( ) (1)RLVc VPsRs−

=

On: Ps és la potència dissipada pel sensor Vc és la tensió que introduïm al sensor. En el nostre casa és de 5 V VRL és la tensió a la resistència de càrrega que li posem al sensor Rs és la resistència interna del sensor que varia en funció de la concentració


39

Si ara utilitzem els valors que s’ha trobat de VRL i Rs a l’expressió 1 tenim:

tensió ( Vo ) Rs ( Ω ) Ps (mW)0,8 20107,5 0,877

3,28 2008,41 1,4733,6 1489,44 1,316

3,83 1170 1,173,98 981,56 1,064,08 863,63 0,984,14 795,6 0,934,18 751,33 0,8954,21 718,69 0,8684,22 707,84 0,859

4,235 691,84 0,8464,26 665,31 0,8234,27 654,78 0,8144,28 644,3 0,805

4,3 623,49 0,7864,31 613,15 0,7764,32 602,87 0,767

Taula 13: potencia dissipada pel sensor

Podem observar que en cap moment la potència dissipada s’apropa a la potència màxima acceptada pel sensor. Per tant, no correm cap risc de que el sensor s’espatlli. Si reduïm el valor de la resistència de càrrega el valor de la tensió de sortida seria cada cop més petit, per tant el numerador de l’expressió (1) cada cop es faria més gran, i com està elevat al quadrat, el valor de la potencia dissipada pel sensor cada cop creixeria més fins arribar al valor crític. Amb la taula següent podem veure com varia la potencia del sensor depenent de la resistència de càrrega:

RL (Ω) 5600 3900 1000 470Pot (mW) Vo (V) Pot (mW) Vo (V) Pot (mW) Vo (V) Pot (mW) Vo (V)

0,761 1,089 0,872 0,812 1,128 0,237 1,187 0,1140,867 3,680 1,438 3,300 5,548 1,662 8,174 0,9480,741 3,950 1,282 3,618 6,008 2,008 9,698 1,1990,638 4,136 1,138 3,846 6,212 2,304 10,875 1,4330,566 4,254 1,030 3,995 6,249 2,523 11,646 1,6190,517 4,332 0,951 4,094 6,217 2,683 12,139 1,7620,486 4,378 0,902 4,153 6,169 2,785 12,418 1,8570,466 4,409 0,868 4,192 6,124 2,855 12,592 1,9240,450 4,431 0,842 4,222 6,083 2,909 12,716 1,9770,445 4,439 0,833 4,232 6,067 2,928 12,756 1,9950,437 4,450 0,820 4,247 6,043 2,955 12,813 2,0230,424 4,469 0,798 4,271 5,998 3,002 12,904 2,0700,418 4,477 0,789 4,281 5,978 3,022 12,939 2,0890,413 4,484 0,780 4,291 5,958 3,041 12,973 2,1090,402 4,499 0,762 4,311 5,914 3,080 13,036 2,1490,397 4,507 0,753 4,321 5,891 3,100 13,066 2,1700,392 4,514 0,743 4,331 5,866 3,119 13,094 2,190

Taula 14: potencia consumida pel sensor per a diferents resistències de càrrega


40

Aquí es pot apreciar clarament que a mesura que disminueix la resistència de càrrega disminueix la tensió de sortida i per tant augmenta la potència dissipada pel sensor segons l’expressió 1. També es pot veure que amb una resistència de 470 Ω, la potència dissipada pel sensor és molt propera ala potència màxima que aquest pot dissipar, que és de 15 mW 3.5.3 Calibració del sensor Un cop s’ha definit quina és la millor resistència de càrrega s’ha passat a determinar els paràmetres del sensor. Primer calculem com varia la resistència interna del sensor depenen de la concentració d’etanol. Per fer-ho utilitzem l’expressió que regeix la resistència interna del sensor:

* (1)rRs A C= on: Rs és la resistència del sensor A és una constant de sensor C és la concentració d’etanol r és una constant del sensor Per determinar els paràmetres que defineixen el comportament de la resistència interna del sensor ( A i r ) s’han seguit els passos explicats anteriorment per calibrar el sensor. Com que s’ha decidit que la millor resistència de càrrega era la de 3,9 kΩ els resultats que utilitzarem seran:

Concentració (mg/l) tensió ( V )0 0,8

0,0224 3,280,0447 3,60,0671 3,830,0894 3,980,1118 4,080,1342 4,140,1565 4,180,1779 4,210,2012 4,220,2236 4,2350,246 4,26

0,2683 4,270,313 4,28

0,3578 4,30,4025 4,310,4472 4,32

Taula 15: relació concentracio-tensió

Es pot comprovar que a mesura que la concentració d’etanol augmenta, la tensió de sortida també augmenta. Això és degut a que la resistència interna del sensor disminueix. Aquest canvi de tensió es produeix degut a que en realitat tenim el següent circuit:


41

Figura 19. Esquema del circuit del sensor d’etanol

RL és la resistència que nosaltres posem a la sortida i Rs és la resistència interna del sensor que varia depenen de la concentració d’etanol. Del circuit anterior deduïm que tensió que ens proporciona el sensor ve donada per la següent expressió:

* (2)in L

L S

V RVoR R

=+

on: Vo és la tensió que ens proporciona el sensor Vin és la tensió d’alimentació RL la resistència de càrrega Rs la resistència interna del sensor Com que nosaltres sabem quina és la tensió d’alimentació (Vin), el valor de la resistència de càrrega (RL) i de la tensió de sortida (Vo) podem aïllar Rs. Si ho fem obtenim:

*( ) (3)L inR V VoRsVo

−=

A partir de l’expressió anterior calculem els diferents valors de Rs depenen de la concentració injectada. Els resultats són:


42

Concentració (mg/l) Rs ( Ω )0 20107,5

0,0224 2008,410,0447 1489,440,0671 11700,0894 981,560,1118 863,630,1342 795,60,1565 751,330,1779 718,690,2012 707,840,2236 691,840,246 665,31

0,2683 654,780,313 644,3

0,3578 623,490,4025 613,150,4472 602,87

Taula 16: relació concentració – resistència interna

Com s’ha dit anteriorment Rs depèn de la concentració seguint l’expressió 1, per tant ara s’ha de buscar els valors de A i r. Per trobar-los primerament s’ha simplificat el terme rC de l’expressió 1. Per fer-ho s’ha fet logaritmes als dos costats de la igualtat, i el resultat ha estat:

log ( Rs ) = r * (log ( A ) +log ( C ) (4) Si ara calculem els logaritmes de Rs i de la concentració ( C ) i fem una recta tindrem que r serà el pendent de la recta. Els resultats de fer el logaritme de Rs i de la concentració són:

log( C ) log(Rs)∞ 4,303

-1,65 3,303-1,35 3,17-1,17 3,068-1,05 2,99-0,95 2,94-0,87 2,9-0,81 2,876-0,75 2,857

-0,696 2,85-0,65 2,84-0,61 2,82-0,57 2,816-0,5 2,81

-0,45 2,795-0,395 2,787-0,35 2,78

Taula 17:punts de la recta log Rs, log C


43

Si a partir dels valors anterior fem la recta obtenim:

Figura 20. gràfic del logaritme de la Rs en funció del logaritme de la concentració

Per calcular la pendent fem:

log(Rs)log(C)

r Δ=Δ

(5)

Si donem valors obtenim:

2,78-3,303 0,39694 (6)-0,35-(-)1,65

r = = − El pendent és negatiu degut a que la recta és decreixent. Si ara utilitzem l’expressió 1 i utilitzem el valor de r, de C i de Rs podem trobar el valor de A. Si aïllem A tenim:

(7)r

RsAC

=

Si ara agafem un valor de C i el seu valor corresponent de Rs tindrem:

0,39694

654,78 388,41 (8)0,2683

A −= =

Per tant l’expressió que regeix el comportament de la resistència interna del sensor és:

0,39694388,41* (9)Rs C−=

Amb l’expressió 9 calculem el valor de Rs per a les diferents concentracions que tenim i comparem el valor obtingut de Rs per aquest mètode amb el valor de Rs obtingut a traves de la tensió de sortida. Els resultats són:


44

concentració (mg/l)

Rs= Rl(Vi-Vo)/Vo (Ω)

Rs=A*C^r (Ω)

0 20107,5 ∞ 0,0224 2008,41 1754,457912 0,0447 1489,44 1333,636074 0,0671 1170 1135,039997 0,0894 981,56 1012,853161 0,1118 863,63 926,8339064 0,1342 795,6 862,0259089 0,1565 751,33 810,9981805 0,1779 718,69 770,7713475 0,2012 707,84 734,0207105 0,2236 691,84 703,9001646 0,246 665,31 677,723619 0,2683 654,78 654,777448 0,313 644,3 615,9267036 0,3578 623,49 584,0747176 0,4025 613,15 557,4098418 0,4472 602,87 534,5892487

Taula 18:comparació dels valor teòrics i reals de Rs Podem veure que els resultats de Rs calculats amb l’expressió Rs= A*C r− i a partir de la tensió de sortida, són lleugerament diferents, però la zona entre la concentració de 0,15 mg/l i 0,25 mg/l, els valors són molt semblants malgrat que als extrems la diferencia és considerable. S’ha preferit que els valors fossin més semblants a la zona anteriorment dita degut a que en aquesta zona és on es determina el positiu dels conductors, i per tant ens interessa tenir una major precisió Si fem el gràfic de Rs en funció de la concentració per als 2 casos tenim:

Figura 21. gràfic de Rs calculat a partir de Vo i de l’expressió A*C r

Podem veure que a la zona central els 2 gràfics són aproximadament iguals, mentre que als extrems la separació és més gran Si ara igualem les expressions 9 i 3 obtenim:


45

0,39694*( ) 388,41* (10)L inR V VoRs CVo

−−= =

Ara podem aïllar la concentració i sabrem quina concentració tindrem per una certa tensió de sortida.

0,39694*( ) (11)

388, 41*L in o

o

R V VCV

−−

=

Aquesta és l’expressió que haurem d’introduir al PIC per tal de determinar la concentració a partir de la tensió del sensor.

Implementació d'un alcoholimetre 4 Plànols

46

4. PLÀNOLS

1Implementació d'un alcoholimetre 5 Pressupost

54

5. PRESSUPOST


55

5.1 Llistat de preus unitaris Ud Descripció Preu u led 5 mm 0.09 zero euros amb nou cèntims u resistència de carbó ¼ W 0.05 zero euros amb cinc cèntims u regleta de connexió pas 5 mm 2p 0.38 zero euros amb trenta-vuit

cèntims u regleta de connexió pas 5 mm 3p 0.27 zero euros amb vint-i-set

cèntims u regleta de connexió pas 5 mm 8p 0.67 zero euros amb seixanta-set

cèntims u regleta de connexió pas 5 mm 10p 1.00 un euro amb zero cèntims u interruptor tipus CT mini 3c/2p 1.54 un euro amb cinquanta-quatre cèntims u sensor de gas, alcohol/orgànic suport 16.10 setze euros amb deu cèntims PCB u display LCD, alfanumeric,8x2 15.95 quinze euros amb noranta-cinc

cèntims u microprocesador CMOS, flash 2 kB, 8.11 vuit euros amb onze cèntims PIC16F876A u cristall 4 MHz tipus XT 2.39 dos euros amb trenta-nou

cèntims u sòcol DIP, perfil baix, 14 vies 3.08 tres euros amb vuit cèntims u regulador de tensió ajustable 0.74 zero euros amb setanta-quatre

LM317T cèntims u condensador de poliester 100 nF 0.10 zero euros amb deu cèntims u condensador de poliester 1 μF 0.08 zero euros amb vuit cèntims u condensador ceràmic, disc, baixa 0.04 zero euros amb quatre cèntims tensió, 18 pF


56

u potenciòmetre, multivolta, ajustament 2.09 dos euros amb nou cèntims superior, 5 kΩ u Polsador normalment obert 0.79 zero euros amb setanta-nou

cèntims m tuberia de INOX de 4 mm Ø 6.27 sis euros amb vint-i-set cèntims u cambra contenidor del sensor 250.00 dos-cents cinquanta euros u Válvula, manual, 4 mm, 2/2 9.99 nou euros amb noranta-nou

cèntims u placa PCB de fibra de vidre 15.00 quinze euros de 10 x 10 cm u Vàlvula, de solenoide, acer 121.24 cent vint-i-un euros amb vint-i- inoxidable, 3 vías,1/4" BSP, 12 V quatre cèntims u Relé,miniatura,montaje en PCB, 3.98 tres euros amb noranta-vuit 12 V, SPCO de 5 A cèntims u Transistor MOSFET A 12 V 1.04 un euro amb quatre cèntims u Carcassa metàl·lica 121x74x188 mm 30.78 trenta euros amb setanta-vuit

cèntims 5.2 Quadre descompost 5.2.1 Cambra i placa del sensor Material Unitats Quantitat Preu unitari Total (€)sensor de gas, alcohol/orgànic suport PCB

u 1 16.10 16.10

resistència de carbó ¼ W u 1 0.05 0. 05regleta de connexió pas 5 mm 3p

u 1 0.27 0.27

cambra contenidor del sensor u 1 250.00 250.00Válvula,manual,4 mm, 2/2 u 1 9.99 9.99tuberies de INOX de 4 mm Ø u 0.02 6.27 0.13ma d’obra h 1 15.00 15.00placa PCB de fibra de vidre cm² 0.04 12.00 0.48

Cost d’execució 291.93


57

5.2.2 Placa del interruptor i els leds: Material Unitats Quantitat Preu unitari Total (€)led 5 mm u 2 0.09 0.18resistència de carbó ¼ W u 2 0.05 0.10regleta de connexió pas 5 mm 2p

u 2 0.38 0.76

regleta de connexió pas 5 mm 3p

u 1 0.27 0.27

interruptor tipus CT mini 3c/2p u 1 1.54 1.54Ma d’obra h 1 15.00 15.00Placa PCB de fibra de vidre cm² 0.053 12.00 0.64

Cost d’execució 18.49 5.2.3 Placa principal i carcassa Material Unitats Quantitat Preu unitari Total (€)microprocesador CMOS, flash 2k, PIC16F876A

u 1 8.11 8.11

resistència de carbó ¼ W u 2 0.05 0.10regleta de connexió pas 5 mm 3p

u 1 0.27 0.27


u 3 0.38 1.14


u 2 0.67 1.34


u 1 1.00 1.00

cristall 4 MHz tipus XT u 1 2.39 2.39sòcol DIP, perfil baix, 14 vies u 2 3.08 6.18condensador ceràmic, disc, baixa tensió, 18 pF

u 2 0.04 0.08

condensador 100 nF u 1 0.10 0.10condensador 1 μF u 1 0.08 0.08potenciòmetre, multivolta, ajustament superior, 5 kΩ

u 1 2.09 2.09

display LCD, alfanumeric,8x2 u 1 15.95 15.95Carcassa metàl·lica 121x74x188 mm

u 1 30.78 30.78

ma d’obra h 1 15.00 15.00placa PCB de fibra de vidre cm² 0.31 12.00 3.69

Cost d’execució 88.12


58

5.2.4 placa del polsador Material Unitats Quantitat Preu unitari Total (€)Polsador normalment obert u 1 0.79 0.79regleta de connexió pas 5 mm 2p

u 1 0.38 0.38

ma d’obra h 1 15.00 15.00placa PCB de fibra de vidre cm² 0.03 12.00 0.36

Cost d’execució 16.53 5.2.5 Placa electrovàlvula Material Unitats Quantitat Preu unitari Total (€)Vàlvula, de solenoide , acer inoxidable, 3 vías, 1/4" BSP, 12 V

u 1 121.24 121.24

Relé,miniatura,montaje en PCB, 12V, SPCO de 5 A

u 1 3.98 3.98

Transistor MOSFET A 12 V u 1 1.04 1.04ma d’obra h 1 15.00 15.00Placa PCB de fibra de vidre cm² 0.04 12.00 0.48

Cost d’execució 141.74 5.3 resum del pressupost CAPITOL Import (€) Placa del interruptor i els leds 18.49 Placa del polsador 16.53 Cambra i placa del sensor 291.93 Placa electrovàlvula 141.74 Placa principal i carcassa 88.12

Total execució 556.81 Despeses generals 13% 72.38 Benefici industrial 6% 33.41

Total parcial 662.60 I.V.A 16% 106.02

Total pressupost 768.62

Implementació d'un alcoholimetre 6 Plec de condicions

59

6. PLEC DE CONDICIONS


60

6.1 Reglament

Per a la realització d’aquest projecte hem hagut de tenir en compte els diferents reglaments. Aquest reglaments inclouen el reglament electrotècnic de baixa tensió ja que per alimentar l’alcoholimetre utilitzem una bateria de 12 V, i la llei de seguretat vial, ja que és l’estat el que imposa els nivells permesos d’alcohol en alè.

6.1.1 Reglament Electrotècnic de Baixa Tensió (REBT)

Segons la legislació vigent, el projecte realitzat està dins de la categoria de molt baixa tensió (MBTS), ja que la tensió utilitzada és inferior als 50 V.

Figura 22. Classificació de les instal·lacions elèctriques

Com la tensió utilitzada és inferior als 15 V, el nostre equip no requereix una protecció contra contactes directes

6.1.2 Llei de seguretat vial

Segons l’article 65 de la llei de seguretat vial, apartat 5, paràgraf ‘a’, està prohibit conduir per les vies públiques havent ingerit begudes alcohòliques amb tasses superiors establertes per el reglament. L’annex 2 d’aquest reglament especifica la pèrdua de punts que comporta conduir amb tasses superiors a les permeses.

6.2 Condicions del material. 6.2.1 Especificacions elèctriques.

6.2.1.1 Alimentació

La alimentació del sistema s’ha realitzat a través de la bateria del cotxe que proporciona 12 V en corrent continu. Aquesta tensió ha estat rebaixada als 5 V en corrent continu per tal d’alimentar les diferents parts del sistema. També utilitzarem 12 V per alimentar el rele i la electrovàlvula

6.2.2 Especificacions mecàniques 6.2.2.1 Plaques de circuit integrat

Totes els circuits s’han realitzar sobre plaques de fibra de vidre a una sola cara fabricades pel mètode substractiu


61

6.2.2.2 Connexions de les plaques

Les plaques aniran connectades entre elles mitjançant regletes soldades a les diferents plaques.

6.2.3 Ajustaments, assaigs i comprovacions

Un cop es connecta el sistema al encenedor del cotxe s’ha de comprovar que s’encén el llum vermell i que l’electrovàlvula permet el pas d’aire cap a dins del dipòsit. Un cop realitzades aquestes operacions s’ha de triar el tipus de conductor que realitzarà la prova mitjançant l’interruptor

6.3 Condició de l’execució 6.3.1 Compra i comprovació del material

La compra del material s’haurà de fer amb la suficient antelació per que aquest estigui disponible un cop es comenci l’execució del projecte. Un cop disposem del material s’han de realitzar les comprovacions pertinents per assegurar-nos que està en perfectes condicions.

6.3.2 Muntatge de les plaques

Un cop es té el PCB fet s’ha de passar a muntar els components. Per assegurar-se que no es tindria cap problema amb la placa s’ha de seguir el següent procediment:

1- avanç de foradar la placa s’ha d’assegurat que no hi havia cap

curtcircuit entre pistes degudes a algun error a la seva fabricació. En el cas de que hi hagués un curtcircuit s’ha d’eliminar la zona on hi havia el curtcircuit per tal d’eliminar la connexió no desitjada.

2- amb l’ajuda d’una broca de 0.8 mm de diàmetre i un trepant foradar

la placa pels punts on s’hauran d’inserir els components.

3- un cop la placa ha està perforada, inserir els components i soldar-los

4- desprès de soldar els components s’ha de verificar la continuïtat per verificar que les soldadures són correctes.

6.3.3 Soldadura dels components

La soldadura és un procés metal·lúrgic on es produeix la unió de metalls aplicant calor i pressió. Hi ha diferents tipus de soldadura, però per al nostre cas els utilitzats poden ser: - soldadura manual


62

- soldadura manual especial - soldadura per aire calent - soldadura automatitzada punt a punt

Per a series curtes es pot utilitzar la soldadura manual o la soldadura manual especial. Si es fan series llargues la més recomanada és la soldadura automatitzada punt a punt ja que la velocitat i la precisió és superior. Abans de començar a soldar, s’ha de verificar la placa, cerciorant-nos que no hi ha cap brutícia sobre les pistes que puguin minvar la qualitat de la soldadura.

6.4 Condicions tècniques generals Resistències de carbó de ¼ W i 10% de tolerància

Definició: Resistències de carbó en pols premsat i aïllat amb dissipació màxima de ¼ W i tolerància del 10% sobre el valor nominal. Condicions generals: Comprovar que el valor real de la resistència esta dins dels marges necessaris per al correcte funcionament del sistema.

Microprocessador PIC 16F876a Definició: Microprocessador de 8 bits i 28 pins amb memòria flash de 8 kB i freqüència màxima de 20 MHz. Condicions generals: El PIC ha de tenir com a mínim un conversor A/D de 10 bits. La memòria ha de ser suficient per poder emmagatzemar el codi (mínim 4 kB de memòria flash). Ha de disposar de suficients sortides per connectar tot els components necessaris. Ha de ser compatible amb el LCD.

Regulador LM317T Definició:

Regulador de tensió amb sortida variable i intensitat màxima de sortida de 1.5 A ajustable mitjançant resistències. Condicions generals: Possible necessitat d’un dissipador si el seu ús és prolongat El valor de R2 és crític per obtenir la tensió desitjada. Es recomanable utilitzar resistències amb una tolerància del 1 % o un potenciòmetre. Qualsevol regulador que pugui donar una tensió de 5 V sense riçat és adequat.


63

LEDS Definició:

Diodes emissor de llum que emet radiació visible, infraroja o ultravioleta quan s’excita amb un flux de corrent en sentit directe Condicions generals: Els leds s’han de connectar amb la polaritat correcta per tal de que estiguin excitats en sentit directe. L’excitació ha de ser la definida per el fabricant, una corrent major pot causar la seva destrucció S’han de comprovar el seu correcte funcionament al cap del temps degut a que amb el desgast perden les seves propietats. També es pot usar un led bicolor.

LCD Definició:

Display de cristall líquid de 2x8 amb retroil·luminació i ajust de contrast. Condicions generals: El LCD ha de tenir 2 línies per a la representació de la concentració i d’un missatge. Es aconsellable que tingui retroil·luminació per als seus usos nocturns.

POLSADOR Definició:

Element mecànic normalment obert que permet el pas de corrent quan se li aplica una certa pressió. Condicions generals: La resistència en circuit obert ha de ser suficientment gran perquè no hi hagi fuites de corrent no desitjades. La pressió que s’ha d’exercir perquè es tanqui el circuit ha de ser molt baixa

INTERRUPTOR Definició:

Element mecànic que permet el pas de corrent o no depenent de la seva posició. Condicions generals: S’ha de mantenir a la mateixa posició fins que l’usuari la canviï. La resistència en circuit obert ha de ser suficientment gran perquè no hi hagi fuites de corrent no desitjades.

SENSOR ETANOL Definició:

Element sensible a certs gasos que incrementa la seva conductivitat en presencia d’ells.


64

Condicions generals: Ha de detectar concentracions d’etanol molt baixes, inferiors als 4 μg/l d’aire. Depenen de les característiques del sensor s’han de modificar la resistència de càrrega.

POTENCIÓMETRE Definició: Element resistiu de valor variable dins d’uns certs marges. Condicions generals: Utilitzar un potenciòmetre multivolta per tenir més precisió.

La rosca per modificar el valor de la resistència ha d’estar en un lloc visible i de fàcil accés.

ELECTROVÀLVULA Definició:

Element pneumàtic que permet el pas d’aire entre 2 de les seves vies impedint el pas per les altres. Condicions generals: Electrovàlvula de 3 vies alimentada a 12 V Mida adequada per cabre dins de la carcassa.

RELÉ Definició:

Element electromecànic controlat per un circuit elèctric que permet obrir o tancar altres circuits elèctrics

Condicions generals: S’ha d’alimentar a 12 V

TRANSISTOR MOSFET Definició:

Element electrònic semiconductor que amplifica el corrent depenent de la tensió al Gate.

Condicions generals: S’ha d’alimentar a 12 V Ha d’entregar suficient corrent per fer commutar l’electrovàlvula

GLOBUS Definició:

Element elàstic que es dilata i permet emmagatzemar aire mentre la entrada esta taponada i que expulsa l’aire emmagatzemat i recupera la seva mida original un cop l’entrada esta lliure.

Condicions generals: Ha de tenir la mida idoni per cabre dins del espai reservat S’ha de dilatar amb facilitat un cop es comença a introduir aire


65

CARCASSA Definició: Estructura sobre la qual es montaran les diferents parts del sistema.

Condicions generals: La seva mida ha de permetre allotja les diferents plaques, la cambra del sensor i el dipòsit del globus. Ha de ser suficientment robusta per suportar el pes dels diferents elements que interactuen amb l’usuari.

CAMBRA DEL SENSOR

Definició: Estructura on anirà situat el sensor d’etanol.

Condicions generals: Ha d’estar hermèticament sellada per evitar la penetració d’aire que pugui modificar els resultats. Ha de tenir 2 orificis per permetre l’entrada i la sortida del aire La mètrica de la rosca ha de ser la mateixa que la de les tuberies

TUBERES

Definició: Elements rígids que permeten el pas de gas pel seu interior

Condicions generals: Ha d’estar hermèticament sellada per evitar la penetració d’aire que pugui modificar els resultats La mètrica de la rosca ha de ser la mateixa que la de la cambra del sensor.

Implementació d'un alcoholimetre 7 Bibliografia

66

7. BIBLIOGRAFIA

Implementació d'un alcoholimetre 7 Bibliografia

67

7.1 Págines web Reglaments: http://www.ffii.nova.es http://www.dgt.es/dgt_informa/normativa/circulacion_general.htm Relació entre concentració en alè i sang i efectes de la ingestió d’alcohol: http://www.alcotest.cl/princ.htm Informació sobre PIC’s http://picmania.garcia-cuervo.com/ Informació sobre sensors de gas: http://www.e-nose.com.ar/paginas/funcionamiento.htm#sensores Informació sobre leds: http://www.monografias.com/trabajos11/leds/leds.shtml#DIODO Informació sobre LCD: http://www.x-robotics.com/rutinas.htm#LCD http://todopic.mforos.com Informació sobre reguladors i alimentació a traves de la bateria del cotxe: http://www.pcdemano.com Els datasheets dels diferents components, així com els preus s’han extret de: http://www.amidata.es Informació variada: http://es.wikipedia.org/wiki/Portada

Implementació d’un alcoholimetredeeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/968pub.pdf · - Part...

Documents

Transcript of Implementació d’un alcoholimetredeeea.urv.cat/public/PROPOSTES/pub/pdf/968pub.pdf · - Part...