Hojas de características de componentes

En este apartado se van a indicar los componentes más importantes que componen el sistema de tele-medición semiautónomo de ruido ambiente.

Página | 45 2.8.1 Etapa de alimentación y almacenamiento de energía

Una vez se han mencionado los componentes clave relacionados con la adquisición y envío de datos, (microcontrolador [4], sensor de ruido MEMS [12] y módulo de SigFox [15]) se van a detallar a continuación las características de los elementos del sistema que garantizarán la correcta gestión de la energía para que el sistema pueda estar permanentemente funcionando de la forma que se requiere.

La idea es que el sistema funcione tomando energía directamente de la red eléctrica ya que se va a incorporar a farolas de alumbrado público. Para ello se va a usar una toma de USB para conectarlo a un cargador que vaya directo a los 230V de la red.

La principal ventaja que presenta la red de alumbrado público es su gran cobertura geográfica, cuestión que facilita la tarea en la elección del emplazamiento del sensor dentro de una urbe. Su principal inconveniente es que, durante el día, la toma de red eléctrica del alumbrado público no está activa, por lo que el sistema se debe alimentar desde otra fuente externa. Para solventar este inconveniente, se va a emplear una batería.

El dimensionamiento de la misma, así como los cálculos relacionados con el consumo, se mostrarán en el apartado Procedimiento Experimental apartado 3.2.3.1: Cálculos y requisitos de energía.

Por otro lado, la entrada de USB también permite que se le conecte cualquier fuente externa de 5V DC para alimentar el circuito sin ningún problema. Este es un ejemplo que se puede dar cuando se estén realizando pruebas o configurando el dispositivo.

En los momentos nocturnos, cuando la red de alumbrado público está activa, se requiere que el sistema se alimente por medio de la red y a la vez recargue la batería. De esta forma se consigue que el sistema nunca se quede falto de energía y pueda cumplir con su labor durante el día. Para cumplir con este cometido, se ha incorporado una etapa de regulación de carga que se detallará posteriormente en los cálculos pero que está centralizada en torno al chip MCP73831 [19] de la empresa Microchip. Este componente establece una curva de carga para baterías de ion-litio donde la corriente de carga es regulable hasta un máximo de 500 mA y permite un control externo del mismo teniendo en cuenta, por ejemplo, el nivel de carga de la batería conectada al regulador. Del mismo modo, en el apartado 3.2.3.1 se detallará la forma en la que se efectuará el control de la carga.

Página | 46 Figura 25. MCP73831(izquierda) y TCP6300 (derecha) (Fuente: datasheets oficiales)

Otras de las características más reseñables del componente se encuentran resumidas en la siguiente tabla:

Tensión entrada

VDD (min) = 3.75V VDD (máx) = 6V Tensión Regulada de Salida VREG = 4.2 V (típico)

Regulación de Línea 0.09 %/V

Regulación de Carga 0.05%

Corriente De Regulación de Carga (salida) I = 0.505 A (típico)

Tabla 5. Propiedades principales del MCP73831

Página | 47 La regulación de línea expresa la capacidad de un regulador de mantener la tensión de salida en su valor nominal variando la tensión de entrada en los rangos admitidos. Se define como

(^{∆𝑉𝑜𝑢𝑡}

𝑉𝑜𝑢𝑡)

𝑉𝑖𝑛 . En este caso, el regulador únicamente va a estar alimentado a 5V, lo que quiere decir que, para dicho valor de tensión de entrada, la variación de tensión de salida va a ser de 18.9 mV.

Por otro lado, La regulación de carga es una característica importante y expresa la capacidad de una fuente de mantener constante el voltaje de salida independientemente de la corriente que se demanda. Es decir, es una muestra de lo estable que es la tensión que ofrece. Se expresa como ^{∆𝑉𝑜𝑢𝑡}

𝑉𝑜𝑢𝑡 por lo que se puede entender como la variación de tensión de salida respecto a dicha tensión, realizando la prueba a diferentes valores de corriente. Un 0.05% es un valor pequeño, y quiere decir que, para 4.2V nominales de salida, la variación de tensión es de 2.1 mV. Por tanto, el regulador ofrece una tensión muy estable, con poca cantidad de ripple (rizado de la tensión de salida) . Estos valores son especialmente importantes si se tiene en cuenta la forma de carga de las baterías, en la que los valores de corriente y tensión de salida varían con el tiempo debido a las etapas de corriente constante (CC) y voltaje constante (CV). Esto es lo que se conoce como la curva de carga.

Por otro lado, la alimentación nominal del sistema es 3.3V mientras que la entrada de tensión desde el puerto USB es de 5V, y la batería funciona a 3.7V nominales (siendo el rango completo de tensión desde 2.7V a 4.2V). Debido a este amplio rango de tensiones, se ha procedido al uso de un convertidor reductor elevador (Buck boost) que proporcione una tensión estable de 3.3V a la salida para alimentar al resto de circuitería. La elección de este componente ha sido el TCP63001 de Texas Instruments [20]

El convertidor tiene un rango de entrada de tensiones de 1.8V a 5.5V con una potencia de salida máxima de 4 W, mucho más de lo que requiere el sistema en cuanto a consumo de corriente. Este convertidor está especialmente indicado para aplicaciones que requieran de una única batería de ion-litio, y tal es el caso. Dentro de sus otras características destacables se encuentran:

Página | 48 Corriente máxima de salida

Imax = 1.2 A (Vin = 3.6V a 5.5V) Imax = 0.8 A (Vin > 2.4V)

Eficiencia de conversión Eff = 96%

Regulación de Línea 0.5 %/V

Regulación de Carga 0.5%

Temperatura -45º a 80º C

Tabla 6. Propiedades principales del TCP63001

2.8.2 Conectores

La PCB lleva incluida varios conectores, los cuáles cumplen diferentes funciones. En primer lugar, un conector USB, con estándar 2.0, ya que los requisitos de transferencia de datos y de alimentación no son demasiado exigentes. No se pretende enviar grandes cantidades de archivos al microcontrolador, simplemente programarlo y alimentarlo mediante dicho puerto, por lo que el estándar 2.0 es suficiente.

De forma más específica, sí hay que mencionar la conexión sensor-PCB principal. En ambas placas se encuentra un conector de tipo JST de 6 pines: 2 pines para VCC Y GND y los otros 4 pines para las conexiones del protocolo I²S: SCK, MCK, WS y SD. Para ello, se ha optado por una solución del fabricante Amphenol [21], de su serie FCI-Basics Wire-to-Board Connectors.

Página | 49 Figura 26. Conector JST de Amphenol para comunicar el sensor con la PCB principal

Por otro lado, además de la entrada de USB se ha incluido un conector de 4 pines común en caso de que se prefiera usar dicho puerto por pines para alguna función concreta, por ejemplo, programación del microcontrolador. El mismo modelo de conector de pines se usará para las conexiones de la pantalla al microcontrolador y para poder programar el módulo TD1208r en caso de que el usuario final lo considere oportuno. Puesto que la pantalla funciona mediante I²C y el módem se programa mediante SWD (Serial Wire Debug) en ambos casos no se precisa de más de 4 pines, por lo que se puede aprovechar el mismo conector.

También se ha un conector de 10 pines específico para el acople a un depurador J-TAG.

Un depurador es una herramienta que permite corregir o ‘depurar’ pequeños errores que puedan ocurrir dentro del programa objetivo (el programa que va a correr un microcontrolador, por ejemplo). J-TAG hace referencia a Joint Test Action Group. Este es el nombre de un puerto creado originalmente para la comprobación de PCBs.

Actualmente se usa para acceder al módulo de depuración de la CPU de un sistema. La versión de depurador es específica para la arquitectura ARM. Para programar el SAMD21 se va a utilizar el 8.08.91 de Segger Microcontroller.

Página | 50 Figura 27. Conector de 10 pines para el depurador

2.8.3 Caja IP67

Dentro de los elementos importantes del sistema no hay que olvidar a la caja en la que irán integrados los diferentes elementos que lo componen: PCB, batería, pantalla y sensor.

Para la aplicación en cuestión es importante que esta sea robusta y permita aislar del exterior al resto del sistema, protegiéndolo de diversos factores como: agua, polvo, viento, etc. Cualquiera de ellos puede dañar fácilmente todos los componentes que integran el dispositivo. Por ello, se va a introducir el sistema en una caja de propósito general con protección al agua y al polvo IP67. Dentro de la variedad de fabricantes disponibles se ha optado por las soluciones de Spelsberg [22]. El motivo principal es porque este fabricante tiene una gran variedad de cajas y, por otra parte, ya ha sido utilizada por con un resultado sobresaliente. El modelo escogido es el TG ABS 88-9-to cuyas dimensiones son de 84 x 82 x 85 mm.

Figura 28. Plano de la caja IP67 (Fuente: datasheet y página oficial)

Página | 51 Aunque la placa principal puede ir colocada de dos formas dentro (paralela y perpendicular al eje de simetría horizontal que el lector puede intuir mirando la imagen del plano), la superficie interior máxima disponible es de 74 x 54 mm, por lo que estas van a ser las dimensiones máximas de la PCB principal. Así pues, la placa irá fijada a la caja mediante separadores con rosca de sujeción. Cabe destacar que, tanto la batería como la pantalla ocupan cierto espacio dentro de la caja, por lo que el tamaño ha sido un factor a tener en cuenta a la hora de elegir dichos componentes, siendo 88 mm de ancho suficientes para embutir los diferentes componentes dentro de la caja.