INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
SISTEMA DE ENCENDIDO DE UN AUTOMÓVIL CON ALCOHOLÍMETRO Y
COMUNICACIÓN GSM
TESIS
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN
PRESENTA:
LARA MENDOZA RUBÉN EDUARDO MENDOZA POLANCO JOVANY
SÁNCHEZ GONZÁLEZ OMAR
Director de tesis
M. EN C. IVONE CECILIA TORRES RODRÍGUEZ
ÍNDICE
Contenido
INTRODUCCIÓN ... iii
CAPITULO I
... 11.1 OBJETIVO GENERAL ... 2
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 2
1.3 JUSTIFICACIÓN ... 2
1.4. ANTECEDENTES ... 3
1.4.1. Alcoholímetro ... 3
1.4.1.1. Necesidad de los controles de alcoholemia ... 3
1.4.1.2. Análisis de alcohol en el aliento ... 4
1.4.1.3. Cálculos de masa, energía y tasa alcohólica ... 4
1.4.2. Historia el alcoholímetro en México ... 5
1.5. TECNOLOGÍA DEL ALCOHOLÍMETRO ... 5
1.5.1. Tecnología de absorción de energía infrarroja (IR) ... 5
1.5.2 Tecnología de célula electroquímica ... 7
1.5.3. Tecnología de sensor dual ... 8
1.6. DISPOSITIVOS DE ANÁLISIS DE ALCOHOL EN EL ALIENTO... 9
1.6.1 Dispositivos de prueba de aliento evidénciales ... 9
1.6.2. Dispositivos de mano portátiles ... 9
1.6.3 Dispositivos desechables ... 10
1.6.4 Dispositivos de bloqueo en vehículos (Interlock) ... 10
1.6.4.1. Antecedentes del uso del dispositivo de bloqueo en vehículos (Interlock) .... 11
1.6.4.2. FC100 (de la marca Lifesafer) ... 11
1.6.4.3. FC200 (de la marca Lifesafer) ... 12
1.6.4.4. Intoxilyzer 400 ... 13
CAPITULO II
... 152.1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA ... 16
2.2. PROGRAMA CONDUCE SIN ALCOHOL ... 16
2.2.1. Antecedentes ... 16
2.2.2. Instalación del Programa ... 17
2.2.3. Objetivo del programa ... 17
2.2.5. Esquema Operativo del Programa ... 18
2.2.6. Procedimiento ... 19
2.2.7. Fases del Programa ... 20
2.2.8. Análisis del problema ... 20
CAPITULO III
... 213.1. DESCRIPCIÓN... 22
3.2 SISTEMA DE ENCENDIDO VEHICULAR ... 24
3.2.1. Descripción general ... 24
3.2.2 Encendido convencional (por ruptor) ... 25
3.2.2.1. Funcionamiento:... 26
3.2.3. Encendido convencional con ayuda electrónica ... 27
3.3. MICROCONTROLADORES ... 30
3.3.1. Qué es un Microcontrolador ... 30
3.3.2. Arquitectura básica de los Microcontroladores ... 30
3.3.2.1. Arquitectura Von Neumann ... 30
3.3.2.2. La arquitectura Harvard ... 31
3.3.3. Componentes de un Microcontrolador ... 31
3.3.3.1. Procesador ... 31
3.3.3.2. CISC ... 32
3.3.3.3. RISC ... 32
3.3.3.4. SISC ... 32
3.3.4. Los microcontroladores PIC ... 32
3.3.5. MEMORIA ... 32
3.3.5.1. ROM ... 32
3.3.5.2. OTP ... 33
3.3.5.3. EPROM ... 33
3.3.5.4 EEPROM, E2PROM o E² PROM ... 33
3.3.5.5. FLASH ... 33
3.3.6. Puertas de E/S ... 34
3.3.7. Reloj principal ... 34
3.3.8. Recursos especiales... 34
3.3.8.1. Temporizadores o Timers ... 34
3.3.8.2 Perro guardián o Watchdog ... 35
3.3.8.3 Protección ante falla de alimentación o Brownout ... 35
3.3.8.4. Estado de reposo o de bajo consumo ... 35
3.3.8.5. Convertidor A/D (CAD) ... 35
3.3.8.7. Comparador analógico... 36
3.3.8.8. Modulador de anchura de impulsos o PWM ... 36
3.3.8.9. Puertos digitales de E/S ... 36
3.3.8.10. Puertas de comunicación ... 36
3.4. LA FAMILIA DE LOS PIC ... 37
3.4.1. Introducción ... 37
3.4.2. La Familia PIC ... 37
3.4.2.1 Gama enana. PIC12CXXX ... 37
3.4.2.2 Gama baja. PIC16C5XX con instrucciones de 12 bits ... 37
3.4.2.3 Gama media. PIC16CXXX con instrucciones de 14 bits ... 38
3.4.2.4 Gama alta: PIC17CXXX con instrucciones de 16 bits ... 38
3.5 Dispositivos de Electrónica de Potencia ... 38
3.5.1 Introducción ... 38
3.5.1.1. Diodo de Potencia ... 39
3.5.1.2. Transistores ... 40
3.6. SENSORES DE ALCOHOL ... 41
3.6.2 Sensor de Alcohol MQ-3 ... 42
3.6.3. Sensor de alcohol MQ303 ... 43
3.6.4. Sensor de gas tipo Hot-wire MR513 ... 44
3.7. Elección del sensor. ... 45
3.8 Criterios para la elección de un Microcontrolador ... 46
3.8.1. Selección de un microcontrolador ... 47
3.8.1.1. Microcontroladores disponibles en el mercado ... 47
3.4.2. Elección del microcontrolador adecuado. ... 49
3.5 Diseño esquemático del sistema completo ... 49
CAPITULO IV
... 514.1 TECNOLOGÍA GSM ... 52
4.1.1. Arquitectura GSM ... 52
4.1.2. Movilidad GSM ... 52
4.1.3. Servicios GSM ... 53
4.1.4. Características de Seguridad ... 53
4.1.5. Autentificación ... 54
4.1.6. Confidencialidad ... 54
4.2.1. SMS (Servicio de mensajes cortos) ... 55
4.2.2. Características de los mensajes de SMS ... 56
4.2.3. Cómo enviar mensajes SMS desde un microcontrolador. ... 56
4.3 PROGRAMACIÓN DEL PIC 16F877A ... 57
4.1.1 Utilización de ADC ... 57
4.4 Comunicación GSM ... 60
4.5. Programación en MPLAB ... 62
CAPITULO V
... 665.1. Costo de Inversión ... 67
5.2. Costo de Producción ... 67
5.3. Costos Estimados ... 68
5.4 Los Objetivos Generales de los costos estimados: ... 68
5.5 Lista de Materiales ... 68
CAPITULO VI
... 706.1 CONCLUSIONES ... 71
6.2 RECOMENDACIONES DE TRABAJO A FUTURO. ... 72
GLOSARIO ... 73
BIBLIOGRAFÍA ... 75
ANEXO A ... 76
ANEXO B ... 78
ANEXO C ... 98
i
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Funcionamiento del detector de alcohol infrarrojo 1 ... 6
Figura 1.2 Esquema de la célula electroquímica 1 ... 7
Figura 1.3 Sensor dual 1 ... 8
Figura 1.4 Alcoholímetro evidencial AlcoHawk 1... 9
Figura 1.5 Alcoholímetro Portátil 1 ... 9
Figura 1.6 Alcoholímetro Desechable con Dicromato de Potasio 1 ... 10
Figura 1.7 Alcoholímetro Interlock 1 ... 11
Figura 1.8 dispositivo FC100 1 ... 12
Figura 1.9 dispositivo FC200 1 ... 12
Figura 1.10 montaje del dispositivo. 1 ... 13
Figura 1.11 intoxilyzer 400 1 ... 14
Figura 2.1 Instalación del punto de revisión 1 ... 19
Figura 3.1 Diagrama de flujo general 1 ... 23
Figura 3.2 Elementos básicos de encendido 1 ... 25
Figura 3.3 Encendido convencional 1 ... 26
Figura 3.4 Encendido con ayuda electrónica 1 ... 28
Figura 3.5 Encendido con ayuda electrónica 2 1... 29
Figura 3.6 Conexión del sistema con ayuda electrónica 1 ... 30
Figura 3.7 Arquitectura Von Neumann 1 ... 31
Figura 3.8 Arquitectura Harvard 1 ... 31
Figura 3.9. Gama Enana Pic12F675 1 ... 37
Figura 3.10. Gama Media PIC16F84A 1 ... 38
Figura 3.11. Estructura interna de un diodo de potencia 1 ... 39
Figura 3.12. Símbolos de los transistores bipolares 1 ... 40
Figura 3.13 sensor de vapor de alcohol con semiconductor 1 ... 41
Figura 3.14 sensor MQ-3 1 ... 42
Figura 3.15 sensor de alcohol MQ303 1 ... 43
Figura 3.16 sensor MR513 1 ... 44
Figura 3.17 conexión del sensor de alcohol 1 ... 45
Figura 3.18 Estructura típica de un microcontrolador 1... 46
Figura 3.19 diagrama general de conexiones 1 ... 50
Figura 4.1 Flujo de información 1 ... 57
Figura 4.2 configuración de ADCON0 1 ... 58
Figura 4.3 configuración de ADCON1 1 ... 59
Figura 4.4 almacenamiento de la conversión 1 ... 60
Figura 4.5 diagrama de flujo de la función del PIC 1 ... 62
Figura 4.6 Creación del proyecto 1 ... 63
Figura 4.7 Archivo .asm 1 ... 64
Figura 4.8 Compilación exitosa 1 ... 64
Figura 4.9 Archivos creados después de compilar 1 ... 65
ii
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1 Efectos del alcohol ... 3
Tabla 3.1 datos técnicos ... 43
Tabla 3.2 especificaciones técnicas... 45
Tabla 4.1 A= Entrada Analógica; D = E/S 1 ... 59
Tabla 4.2. Estructura del mensaje enviado ... 61
iii
INTRODUCCIÓN
Actualmente en la Ciudad de México hay cierta preocupación al salir a las calles y manejar un vehículo, esto debido a la cantidad de accidentes automovilísticos que se presentan día con día a causa de conductores imprudentes que se aventuran a manejar en estado de ebriedad, sin medir las consecuencias que esto conlleva; por ende las autoridades optaron por la implementación de un operativo para captar a estos ciudadanos y así evitar que lleguen a causar este tipo de contratiempos, este operativo es el llamado “conduce sin alcohol”, para el cual es necesario utilizar un aparato llamado alcoholímetro que mide la
cantidad de alcohol en el aliento y así verificar si están aptos para conducir su vehículo. Si bien, esta medida tomada por las autoridades ha ayudado a reducir el índice de accidentes suscitados en la Ciudad a causa del consumo de alcohol; se dio a la tarea de buscar una alternativa para reducir aún más esta serie de accidentes.
En el presente trabajo se plantea una alternativa para este problema, el cual es el diseño de un alcoholímetro, que sea conectado al sistema de arranque del automóvil y de esta forma evitar que pueda ser conducido.
Además se realizara un análisis de la situación actual que se vive en la ciudad en cuanto a los accidentes ocurridos por este hecho, asimismo plantear una comparación de las tecnologías de los sensores de alcohol, así como los dispositivos que ya se encuentran en el mercado internacional y sus aplicaciones directas.
Posteriormente se describe el funcionamiento del operativo “conduce sin alcohol”, sus
jornadas de implementación, los horarios y personal necesario para llevar a cabo este operativo, la situación de los ciudadanos que no logran pasar la prueba y las consecuencias que esto genera.
Una de las características principales es el conocer cómo funciona el sistema de encendido de un automóvil, por lo cual en el capítulo II se localiza esta información, para poder analizar su funcionamiento, saber cuáles son sus partes en general; por otra parte para poder realizar el diseño es fundamental el uso de un microcontrolador el cual servirá para tener el control del dispositivo, por lo que en el mismo capítulo se encuentra la descripción de cada una de las partes que contiene el mismo y así poder determinar que funciones se utilizaran. Otro punto importante a considerar es la comunicación GSM la cual se pretende implementar al sistema, se analizara su arquitectura y funcionamiento, para tener una visión amplia de la misma y poder incluirla en el desarrollo del diseño.
1
CAPITULO I
En este Capitulo se presenta la definición del alcoholímetro y se desglosa de forma breve algunos antecedentes del uso del mismo, así como la tecnología aplicada a los sensores que este utiliza.
2
1.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar un alcoholímetro para el encendido y aviso de seguridad de un automóvil, mediante el uso de un micro controlador y un sistema global para comunicaciones móviles (GSM).
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Analizar la situación actual de accidentes en la Ciudad de México causados por el consumo de alcohol y las medidas de seguridad del gobierno capitalino.
Estudiar y conocer el funcionamiento del alcoholímetro, así como investigar cuales son los dispositivos que se utilizan actualmente.
Investigar y comprender el funcionamiento tanto del microcontrolador como del sistema de encendido automotriz.
Identificar cómo funcionan las comunicaciones GSM, de qué forma se puede implementar la función de envío de mensajes cortos (SMS) y su comunicación con el microcontrolador.
1.3 JUSTIFICACIÓN
Debido al gran número de accidentes ocurridos en la ciudad de México, ocasionado por conductores en estado de ebriedad, es necesario diseñar un sistema el cual no permita que un automóvil sea encendido y por consecuencia manejado por una persona que sobre pase los grados de alcohol permitidos para conducir un vehículo (en la ciudad de México). De acuerdo con estadísticas de la secretaria de seguridad pública del Distrito Federal y del servicio médico forense, el 40 % de los accidentes automovilísticos están relacionados con el consumo de alcohol.
Desde el año 2003 en ésta Ciudad existe el operativo denominado programa conduce sin alcohol que detecta personas en estado inconveniente para manejar, sin embargo en el año 2004 se reportaron 1371 fallecimientos relacionados con la ingesta de alcohol y en el 2005 fueron 651 casos reportados; en el año 2008 se reportaron 14 438 accidentes viales de los cuales 547 fueron por este motivo, gracias al operativo se ha logrado reducir las cifras de este tipo de accidentes, sin embargo, es conveniente reducirla aún más.
Es importante crear conciencia utilizando este dispositivo en vehículos particulares para no permitir la conducción y así prevenir accidentes que puedan cambiar la vida de las personas.
3
1.4. ANTECEDENTES
1.4.1. Alcoholímetro
El alcoholímetro es un tipo especial de instrumento usado para determinar el nivel de alcohol presente en un gas. Por tanto ser usado para medir el porcentaje de alcohol en una bebida alcohólica o para determinar la presencia de alcohol en la sangre o en un gas. Los alcoholímetros especializados utilizados por la policía tienen muy poco margen de error.
Un alcoholímetro digital, basado en un sensor de gas, indica al soplar sobre él, el porcentaje de alcohol en sangre y puede servir a una persona para saber si se está en condiciones de conducir. Conocer el nivel de alcohol en la sangre es importante para la seguridad en las calles y carreteras.
Son los instrumentos usados por las policías encargadas de la seguridad del tráfico para la detección de la presencia de alcohol en el conductor de un vehículo. Esto se realiza mediante alcoholímetros digitales de mano o mediante etilómetros (alcoholímetros de precisión, necesarios para hacer la pertinente denuncia), en caso de superar la tasa máxima permitida.
1.4.1.1. Necesidad de los controles de alcoholemia
En los países desarrollados de todo el mundo, el elevado número de accidentes de tráfico vehicular que tienen una relación directa con el excesivo consumo de bebidas alcohólicas es preocupante. Por esta razón, han sido diseñados dispositivos específicos para que los policías de tráfico controlen los niveles de alcohol ingeridos por los conductores y sean sancionados aquellos que superen los niveles decretados por ley.
Los efectos del alcohol de acuerdo a su concentración en la sangre se enlistas en la tabla 1.1.1
Nivel de alcohol en sangre (%) Comportamiento
0.05 Atención menguada, coordinación reducida
0.1 Tiempo de reacción reducido10-25%; sensibilidad visual reducida hasta 32%
0.25 Alteración grave de la coordinación; mareo, paso tambaleante, sentidos entorpecidos 0.35 Anestesia quirúrgica, baja temperatura corporal
0.4 El 50% de las personas fallecen por intoxicación etílica.
Tabla 1.1 Efectos del alcohol
1
4
1.4.1.2. Análisis de alcohol en el aliento
Para determinar el efecto que puede tener el etanol ingerido sobre la capacidad de conducir de una persona (que depende de la concentración de etanol en el cerebro), se mide la concentración de etanol en el aire exhalado. La concentración de etanol en el aire exhalado está en equilibrio con la que se encuentra en la sangre y ésta, a su vez, está en equilibrio con la que se presenta en el cerebro. [1]
El análisis de etanol en el aliento tiene la misma fiabilidad que los mejores métodos y presenta algunas ventajas sobre el análisis de sangre:
No es una prueba invasiva.
Es más fácil, seguro y rápido obtener una muestra del aliento de una persona que una muestra de sangre o de orina.
El resultado se obtiene de forma inmediata, a diferencia del tiempo que presenta un análisis de sangre o de orina.
Es más económico tomar una muestra de aliento, y la probabilidad de alterar la muestra es nula.
1.4.1.3. Cálculos de masa, energía y tasa alcohólica
La cantidad de alcohol en gramos que aporta una bebida alcohólica se calcula a partir de la ecuación 1:
m (g) = V x D x G (ecuación 1)
Donde V es el volumen de la bebida alcohólica en ml, D la densidad del alcohol, que se toma 0,8 g/ml y G es el grado alcohólico de la bebida en tanto por ciento de etanol. El aporte energético de las bebidas varía en función del grado alcohólico y del contenido en azúcares. Cuando se metaboliza 1 g de etanol se producen 7 kcal. Se calcula con la ecuación 2:
E (kcal) = m (g) x 7 kcal/g (ecuación 2)
La tasa de alcoholemia (BAC) según los estudios de Widmark2 se obtiene según la
correlación empírica de la ecuación 3(*):
(Ecuación 3)
Donde m es la masa de alcohol determinada, M es la masa corporal del bebedor expresada en kg y R es el coeficiente de difusión corporal, que vale 0,55 para mujeres y 0,68 para hombres y compensa la diferente distribución de alcohol en los tejidos.
2
5 (*) Otra forma de expresar la ecuación es At = Ct x M x R, donde Ct es el índice de alcoholemia en g/L de sangre, M es la masa corporal y R el coeficiente de difusión corporal. Esta expresión es equivalente a m (g) = V x D x G.
La tasa de alcoholemia medida en miligramos de alcohol por litro de aire espirado se obtiene a partir de la equivalencia entre la cantidad de alcohol en sangre y en el espirado que es de 1 a 2000. [2]
La tasa máxima en aire espirado es en consecuencia la observada en la ecuación 4:
(Ecuación 4)
1.4.2. Historia del programa conduce sin alcohol en México
El 18 de septiembre del 2003, se publicó en la Gaceta Oficial el Aviso del Establecimiento del Programa de Control y Prevención de Ingestión de Alcohol en Conductores de Vehículos en el Distrito Federal.
El programa conduce sin alcohol, es un programa que ha iniciado la Secretaría de Seguridad Pública del Distrito Federal como respuesta a las demandas de la sociedad para que las personas no conduzcan vehículos después de haber ingerido bebidas alcohólicas y así prevenir accidentes ocasionados por esta causa. [3]
1.5. TECNOLOGÍA DEL ALCOHOLÍMETRO
Los equipos alcoholímetros actuales utilizan dos principios de funcionamiento; la absorción de energía infrarroja y la fuel cell o célula electroquímica.
1.5.1. Tecnología de absorción de energía infrarroja (IR)
La tecnología de infrarrojo ha sido el método principal de test de etanol en respiración en Estados Unidos. El principio de absorción de energía infrarroja puede ser usado para la identificación de la presencia de alcohol en el aliento. La energía IR es absorbida por el etanol a longitudes de onda de 3,4 micrómetros y 9,5 micrómetros. Este último nivel ofrece una especificidad adecuada para la determinación de etanol en el aliento. La banda de 9,5 micrómetros es característica de los alcoholes alifáticos primarios, mientras que los secundarios absorben a 9,09 micrómetros y los terciarios a 8,69 micrómetros.
6 eléctrica. En la figura 1.1 se observa el funcionamiento del detector de alcohol por absorción de infrarrojo.
El proceso de análisis de la muestra por la célula de IR sigue las siguientes etapas:
Se hace pasar la muestra por la célula de IR.
La energía pasa a través de la muestra y es absorbida parcialmente por el etanol presente en la muestra.
La reducción de energía IR se detecta y como consecuencia produce una menor cantidad de energía eléctrica.
[image:14.612.139.492.291.608.2] La reducción de energía eléctrica está relacionada con la concentración de etanol en la muestra de aliento, usando la bien conocida ley de Lambert-Beers, la cual establece la absorbancia está directamente relacionada con las propiedades intrínsecas del analito, con su concentración y con la longitud de la trayectoria del haz de radiación al atravesar la muestra.
Figura 1.1 Funcionamiento del detector de alcohol infrarrojo 1
7
1.5.2 Tecnología de célula electroquímica
El origen de la fuel cell se remonta a hace más de 150 años, cuando el científico británico William Robert Grove en 1838, observó que sumergiendo dos electrodos de platino en ácido sulfúrico, y haciendo burbujear hidrógeno en uno de los electrodos y oxígeno en el otro, se creaba un flujo de corriente entre los dos electrodos como resultado de la reacción. Esto le llevó a realizar un experimento en el que combinó distintos electrodos en un circuito en serie y creó lo que él denominó “gas battery”, la primera fuel cell, pero no explicó suficientemente cómo se producía el proceso.
En 1893, Friedrich Wilhelm Ostwald demostró experimentalmente la función de cada uno de los componentes que formaban parte de la celda: electrodos, electrolitos, agentes oxidantes y reductores, aniones y cationes.
En su forma más sencilla, la fuel cell de etanol consiste de una capa porosa, químicamente inerte, recubierta en ambos lados de platino finamente dividido (llamado platino negro). El fabricante impregna las capas porosas con una disolución electrolítica de ácido y conecta un cable de platino a las superficies de platino negro. El conjunto se monta en una carcasa de plástico, el cual también incluye una válvula de aire que permite introducir la muestra de aliento.
La reacción tiene lugar en la superficie superior de la célula, transformándose el etanol en ácido acético. En el proceso, se originan dos electrones libres por molécula de etanol, siendo liberados en el proceso iones H+ que emigran a la superficie inferior de la célula, donde se
combinan con el oxígeno atmosférico para formar agua, consumiendo un electrón por cada ion H+ en el proceso. De este modo, la superficie superior tiene un exceso de electrones, y la
inferior tienen el correspondiente déficit de electrones. Al conectar las dos superficies eléctricamente, fluye una corriente a través del circuito externo para neutralizar la carga. La célula genera una respuesta lineal que es proporcional a la concentración de etanol en el aliento. Procesando la señal adecuadamente se puede mostrar directamente en una pantalla
la concentración de alcohol en sangre BAC (“blood alcohol concentration”). Dicha reacción
se puede mostrar en la figura 1.2
8 El procedimiento de análisis sigue el siguiente proceso:
Se introduce la muestra de aliento en la célula.
Se oxida el alcohol de la muestra en uno de los electrodos (ánodo).
El oxígeno atmosférico se reduce en el otro electrodo (cátodo).
Se produce una corriente entre los dos electrodos que será proporcional a la cantidad de etanol que se oxide.
La medida de esta corriente indica la cantidad de etanol oxidado.
1.5.3. Tecnología de sensor dual
Se basa en la medida de la absorción de energía IR y la célula electroquímica, como se aprecia en la figura 1.3; la combinación de ambas tecnologías origina un procedimiento muy exacto y específico para la determinación de etanol en el aliento, con validez evidencial a efectos de sanción.
El instrumento monitoriza el flujo y volumen del aliento y utiliza un sensor IR para ofrecer información continua de la concentración de alcohol en el aire espirado. Esto se denomina análisis en tiempo real de la muestra.
Primero tiene lugar un auto chequeo y un ensayo cero automáticos en el instrumento; después la muestra se introduce en el equipo a través de un tubo hasta la célula IR. La muestra es analizada en serie por los dos métodos diferentes. Una pequeña parte de la muestra llega a la célula electroquímica y es analizada automáticamente. El resultado de un análisis se confirma con el otro. De nuevo se realiza un auto chequeo y un ajuste de cero, y solo entonces aparece impreso en pantalla el resultado. Si durante la autocomprobación se detecta algún error o el resultado de un análisis no es confirmado por el otro, el instrumento
[image:16.612.207.407.483.626.2]indicará “error” y abortará de forma inmediata el análisis.[4]
9
1.6. DISPOSITIVOS DE ANÁLISIS DE ALCOHOL EN EL ALIENTO
En la actualidad hay disponibles varios tipos de analizadores de alcohol en el aliento; unos son desechables y otros incluyen monitores de lectura digital que proveen resultados de validez legal. Se pueden clasificar en cuatro categorías diferentes:
1.6.1 Dispositivos de prueba de aliento evidénciales
[image:17.612.263.364.258.386.2]Ofrecen resultados con carácter penal en los casos de conducción bajo efectos del alcohol. Se utilizan en los casos en los que se requiere una gran seguridad y precisión de medida. Los dispositivos evidénciales de prueba de aliento como se muestra en la figura 1.4 son caros y requieren un mantenimiento, reparación y calibrado regulares y deben ser utilizados por personal calificado.
Figura 1.4 Alcoholímetro evidencial AlcoHawk 1
1.6.2. Dispositivos de mano portátiles
En la figura 1.5 se muestra un dispositivo portátil el cual es de manejo sencillo y económico, están diseñados especialmente para ser utilizados en situaciones donde no se dispone de mucho tiempo. Ofrecen resultados de presunción, son menos exactos que los evidénciales y requieren un período de recuperación entre pruebas, limitando el número de medidas que se realizan por hora.
[image:17.612.256.372.552.660.2]10
1.6.3 Dispositivos desechables
Proveen resultados preliminares sin valor legal. Son los más económicos, aunque de un solo uso, y se utilizaron inicialmente para determinar si la persona debía someterse a un análisis de sangre oficial para su confirmación. Consisten en ampollas de vidrio cerradas como se muestra en la figura 1.6 que contienen cristales de dicromato de potasio en un medio de ácido sulfúrico. Antes de su uso se rompe la ampolla en una bolsa hermética y se sopla durante un tiempo normalizado. El alcohol del aliento se detecta por el cambio de color (del amarillo al azul verdoso) de los cristales de dicromato de potasio.
[image:18.612.234.399.270.384.2]Si todos los cristales cambian de color el nivel de alcohol en la sangre se encuentra en o por encima del nivel que se está probando. Existen diferentes modelos calibrados 0,3%, 0,5%, 0,8% de tasa de alcoholemia (BAC), que detectan los niveles prescritos por las diferentes legislaciones internacionales.
Figura 1.6 Alcoholímetro Desechable con Dicromato de Potasio 1
1.6.4 Dispositivos de bloqueo en vehículos (Interlock)
Consiste en un dispositivo que lleva incorporado un alcoholímetro con un sensor electroquímico que se conecta al encendido del vehículo, de modo que este no arranca hasta que se realiza la prueba con resultados negativos. Diseñado especialmente para el control de conductores en general y de transportes de mercancías peligrosas, trenes, ambulancias, etc.
Son cada vez más los países que incorporan el dispositivo ("Alcolock" o "Interlock") como se muestra en la figura 1.7 que impide la puesta en marcha de los vehículos conducidos por personas alcoholizadas
11 Figura 1.7 Alcoholímetro Interlock 1
1.6.4.1. Antecedentes del uso del dispositivo de bloqueo en vehículos
(Interlock)
La instauración de un dispositivo detector de aliento alcohólico y bloqueo de encendido del vehículo forma parte de un programa multidimensional cuyo objetivo es reducir la reincidencia de los conductores alcoholizados que ya han sido condenados. Para manejar un vehículo equipado con un dispositivo que bloquea el encendido, primero se debe analizar el aliento del conductor. Si la concentración de la muestra de aliento alcohólico excede el nivel predeterminado, el vehículo no arrancará. Como una medida para reducir la elusión del dispositivo (es decir, que otra persona sople en la boquilla), el dispositivo realiza pruebas aleatorias mientras el vehículo está andando. Otros componentes del programa para conductores alcoholizados incluyen seminarios de información para el conductor y descarga de datos del programa de registro de datos del dispositivo, que registra todas las pruebas y registra todas las aprobaciones, las advertencias y los fracasos.
Los dispositivos que se utilizan para el bloqueo de encendido del automóvil actualmente son los siguientes:
1.6.4.2. FC100 (de la marca Lifesafer)
El dispositivo FC100 (figura 1.8), líder en la industria, se introdujo en el año 1998 y es el dispositivo de bloqueo del encendido basado en celda de combustible (con especificidad para el alcohol) más extensamente utilizado en los Estados Unidos.
Boquilla sanitaria removible
Luces indicadores de instrucciones, indicador de tono auditivo y mensajes escritos en varios idiomas
Utiliza tecnología de sensor de última generación
Construcción resistente y durable
Conexión directa al sistema de encendido realizada por técnicos calificados.
Montaje al tablero de instrumentos con cinta velcro
12 Figura 1.8 dispositivo FC100 1
1.6.4.3. FC200 (de la marca Lifesafer)
Se trata de un dispositivo de bloqueo que trae consigo una nueva generación de funcionalidad para los clientes y para las autoridades remitentes – en un concepto discreto y portátil. El diseño de doble sensor del FC200 (figura 1.9) permite:
Una prueba de resoplido para descartar las lecturas falso-positivas de alcohol en el aliento
Prueba separada de aire alveolar (de pulmón profundo) para encender el vehículo
Boquilla sanitaria removible
Varios idiomas
Bajo consumo de energía
Conexión directa al sistema de encendido realizada por técnicos calificados.
[image:20.612.262.367.475.616.2] Diseño discreto que cabe en un bolsillo o bolso
13 Estos dispositivos son los más comerciales, además de que cuentan con una instalación muy accesible para el conductor, la figura 1.10 muestra el montaje de este dispositivo. [6]
Figura 1.10 montaje del dispositivo. 1
1.6.4.4. Intoxilyzer 400
Actualmente la secretaria de seguridad pública del Distrito Federal ha implementado el programa conduce sin alcohol para evitar accidentes automovilísticos, para realizar dichas pruebas se cuenta con un dispositivo especial, el cual fue seleccionado por las autoridades, el intoxilyzer 400 fue la opción elegida debido a su funcionamiento y confiabilidad.
Las características de dicho dispositivo se muestran a continuación:
Diseñado para los programas de prueba empleado
Tres modos de uso personalizado
Automática de la respiración de muestreo
Almacenamiento de datos de más de 100 pruebas
El puerto de comunicaciones permite la impresión y / o descarga de resultados a un PC
Visuales y audibles solicita operador
14 Figura 1.11 intoxilyzer 400 1
15
CAPITULO II
El presente Capitulo contiene información relativa a la descripción de la problemática que se tiene actualmente, así como las acciones del Gobierno del D.F como lo es el
progra a co duce si
alcohol .
Se localiza además el Marco teórico del sistema de encendido vehicular y el
estudio sobre
16
2.1. DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA
Actualmente en México el dispositivo denominado alcoholímetro, se utiliza de forma manual o también llamado evidencial como se describió en el capítulo anterior, sin embargo, aún no se utiliza el dispositivo instalado en el automóvil (aunque ya existe en otros países), por lo cual en el presente capitulo se describirá el modo de uso de este dispositivo.
2.2. PROGRAMA CONDUCE SIN ALCOHOL
2.2.1. Antecedentes
Las lesiones accidentales causan la muerte de aproximadamente 1.2 millones de personas en el mundo, En México, durante el primer trimestre de 2005, los accidentes provocaron más de 2,455 fallecimientos, de ellos por lo menos 651 murieron por accidentes viales.
Los accidentes ocupan el cuarto lugar como causa de muerte, únicamente precedidos por las enfermedades del corazón, los tumores malignos y las complicaciones de la diabetes. Fuente: Consejo Nacional de Prevención de Accidentes CONAPRA. [5]
El 40% de los accidentes de tráfico en la Ciudad de México, se hallan relacionados con el consumo de Alcohol (gráfica 1), a partir de la existencia del Programa.
Gráfica 1
Entre el 2003 y el 2004, el Programa Conduce sin Alcohol incidió a la baja en un 60% en las Muertes en Hechos de Tránsito relacionados con el consumo de alcohol.
2004 Muertes por hechos de transito con alcohol 640
2005 Muertes por hecho de transito con alcohol 281
60% 40%
ACCIDENTES AUTOMOVILISTICOS
17 Fuente, Servicio Médico Forense del Distrito Federal, estos datos se observan en la gráfica 2, la cual indica el número de fallecimientos por año.
Gráfica 2. Fallecimientos por accidentes viales a cauda del alcohol
2.2.2. Instalación del Programa
Considerando la alta incidencia en accidentes de tránsito, relacionados con la ingesta de Alcohol, el Gobierno del Distrito Federal a través de la Secretaría de Seguridad Pública, instaura el "Programa de Prevención y Control de Ingestión de Alcohol en Conductores de Vehículos en el Distrito Federal”, denominado "Conduce sin Alcohol".
El inicio de este Programa, se publica en la Gaceta Oficial del Gobierno del D. F. el día 18 de septiembre de 2003, entrando en vigor al día siguiente a su publicación.
2.2.3. Objetivo del programa
El Objetivo del Programa conduce sin Alcohol, es salvaguardar la integridad física y en sus bienes, de los ciudadanos conductores así como de sus familias y de la comunidad en general.
Mediante el establecimiento de un operativo permanente de revisión en las vialidades de la ciudad de México, a través de la aplicación de la prueba de alcohol en la sangre, para medir la cantidad de alcohol en el aire espirado.
2.2.4. Misión
La misión es incidir a la baja, en la frecuencia de accidentes de Tránsito, relacionados con el consumo de bebidas alcohólicas, así como generar paulatinamente una conciencia social respecto a la erradicación de este fenómeno y los ilícitos originados por él, como son lesiones, daño en propiedad ajena y homicidios imprudenciales.
0 500 1000
2003 2004 2005
2006 2007
2008 640
583
281 277 313
290
Muertes por accidentes viales provocados
por el consumo de alcohol
18
2.2.5. Esquema Operativo del Programa
Criterios de Instalación de puntos de Aplicación
Se observan los siguientes criterios para la designación de puntos:
1- Registro de Puntos de alta incidencia de accidentes de tránsito, relacionados con el consumo de alcohol.
2- La cercanía con centros de diversión nocturnos como Puntos Origen de conductores alcoholizados
3- Garantías físicas del entorno, que aseguren la integridad del personal participante en el programa.
Recursos Humanos
Dentro del programa, se opera con el siguiente estado de fuerza de personal en cada punto de aplicación:
Jefe de punto (c) 1 elemento
Agrupamiento femenil (b) 2 elementos Policía sectorial (a) 4 elementos Agrupamiento de grúas (d) 2 elementos Unidad especial, programa
Conduce sin alcohol (e) 1 elemento
Subtotal 10 elementos uniformados
Dirección general de
Prevención del delito (f) 1 supervisor Dirección de servicios
Médicos s.s.p. (g) 1 medico Representante de la dirección
De derechos humanos s.s.p. (h) 1 abogado Total de personas en el punto 13 personas Logística, Equipo y Accesorios
Se utilizan por cada punto:
2 Patrullas de Policía Sectorial
1 Grúa de la Secretaría de Seguridad Pública
3 Lámparas sordas
13 Chalecos reflejantes
1 Manta alusiva al programa
19
2.2.6. Procedimiento
a) Instalación del Punto, el personal participante se ubicara según el siguiente esquema 2.1.
Figura 2.1 Instalación del punto de revisión 1
Los orientadores viales, pie a tierra invitaran a los vehículos de forma aleatoria, a ingresar al retén de revisión, apoyándose con las lámparas portátiles para señalizar.
El Personal Femenil informará respetuosa y amablemente a los conductores el motivo de la detención.
b) Detección de pruebas
El Médico o Técnico Aplicador designado es el único facultado para la revisión y eventual aplicación de la prueba de Alcohol en la sangre y todas las pruebas se efectúan fuera del vehículo y con el motor apagado.
El resto del personal realizará sus actividades al margen operativo del punto.
c) Pruebas Negativas
Al detectarse resultado negativo de la prueba, 0.40 gramos de alcohol por cada litro de sangre, o menos grados de alcohol espirado, inmediatamente se agradecerá al conductor invitándole a continuar su marcha.
d) Pruebas Positivas
20
2.2.7. Fases del Programa
1. Aplicación a conductores particulares en Jornadas Nocturnas
A través de equipos multi conformados, se instalan puntos de revisión en fines de semana para revisar de forma aleatoria y en su caso aplicar la prueba de medición de alcoholemia, a conductores de vehículos particulares.
2. Aplicación a conductores de Transporte Público de Pasajeros
Esta etapa se dirige a los conductores de microbuses de ruta fija y a taxis, en ella participan además la Policía del Transporte y la Secretaria de Transporte y Vialidad.
3. Aplicación a Policías de la Secretaría de Seguridad Pública
A fin de garantizar que los elementos de la secretaria de Seguridad Pública, que prestan su servicio en los distintos Sectores y Agrupamientos, se encuentren sin síntomas de ingestión de bebidas alcohólicas, se realizan visitas sorpresivas y aleatorias a sus instalaciones, para aplicarles la prueba de alcohol en la sangre.
Debiendo resultar invariablemente negativos a la prueba, y en caso contrario se ponen inmediatamente a disposición de la Unidad de Asuntos Internos para el inicio de su procedimiento correspondiente.
2.2.8. Análisis del problema
A pesar de que este programa es una buena forma de detectar conductores con este estado, se piensa que tiene algunos puntos desfavorables, como por ejemplo:
1. En los horarios que se realiza la revisión se presentan problemas en la circulación. 2. No es posible detectar al 100 % de los conductores que se encuentran circulando en
la ciudad en este estado.
3. Puede presentarse algún tipo de corrupción.
21
CAPITULO III
La información contenida en el presente capitulo se centra en la descripción de la solución propuesta.
22
3.1. DESCRIPCIÓN.
Una vez realizado el análisis descrito en el capítulo anterior, se propone la implementación de un sistema de control para evitar en mayor proporción los accidentes ocurridos en el D.F. debido a las personas que manejan en estado de ebriedad; esta propuesta se basa en un sistema implementado dentro de los automóviles que se encuentran en circulación, más específicamente en el sistema de arranque del vehículo.
A continuación se describe de forma muy general el funcionamiento de este sistema:
En la actualidad se cuenta con un programa llamado “conduce sin alcohol” implementado
por el gobierno del Distrito Federal; el cual, como ya se analizo tiene algunos inconvenientes, sin embargo, no capta a la mayoría de los automovilistas con un grado de alcohol mayor al recomendado para poder conducir; por lo que se dio a la tarea de tratar de captar a la mayoría de estas personas.
23 DIAGRAMA DE FLUJO
Figura 3.1 Diagrama de flujo general 1
Realizada la descripción general anterior, este dispositivo mejor conocido como interlock (interrupción de encendido) funcionara de la siguiente manera:
El funcionamiento del Interlock es el siguiente, antes de arrancar el vehículo, el conductor debe realizar una prueba de alcohol en aire espirado, similar al que realizan en el operativo conduce sin alcohol. Si no se encuentra bajo los efectos de éste o está por debajo del límite establecido, permite el encendido y la conducción del vehículo; si está por encima del límite, será imposible el encendido del mismo. En este caso el usuario, deberá esperar un tiempo en el cual no se permitirá arrancar, hasta que se pueda repetir la prueba.
Resultado < 0.4
El microcontrolador ejecuta la acción
GSM
Comunicación con el celular
Envía un mensaje de texto vía GSM a un
familiar
reset Enciende el
automóvil
FIN Se realiza la prueba del aliento El conductor entra
al automóvil
Se enciende el alcoholímetro
INICIO
Si
24 Este es el principal funcionamiento del dispositivo, sin embargo, se considera un segundo elemento como medida de seguridad para el conductor, el elemento que se desea implementar es un sistema GSM, el cual solo funcionara si el conductor no pasa la prueba, de este sistema solo se utilizara la función del envío de mensaje de texto (SMS) tal y como se utiliza en los teléfonos celulares convesionales, esto es; cuando el conductor se encuentre en estado etílico y no apruebe el test; automáticamente (con la ayuda de un microcontrolador) se generara una señal hacia el sistema GSM y a su vez este enviara un mensaje a un número celular predeterminado por el usuario, en el cual avisara del estado en el que se encuentra la persona.
Los elementos que integraran a todo el sistema que se implementara serán descritos en seguida, sin embargo, existen varios modelos y marcas por lo que en el presente capitulo se mencionaran varios tipos, y se elegirán algunos que se adecuen a las necesidades del proyecto.
Sensores de alcohol.
Microcontroladores
Tecnología GSM.
3.2 SISTEMA DE ENCENDIDO VEHICULAR
3.2.1. Descripción general
El circuito de encendido utilizado en los motores de gasolina, es el encargado de hacer saltar una chispa eléctrica en el interior de los cilindros, para provocar la combustión de la mezcla aire-gasolina en el momento oportuno. La encargada de generar una alta tensión para provocar la chispa eléctrica es "la bobina". La bobina es un transformador que convierte la tensión de batería 12 V. en una alta tensión del orden de 12.000 a 15.000. Una vez generada esta alta tensión necesitamos un elemento que la distribuya a cada uno de los cilindros en el momento oportuno, teniendo en cuenta que los motores poli cilíndricos trabajan en un ciclo de funcionamiento con un orden de explosiones determinado para cada cilindro (ejemplo: motor de 4 cilindros orden de encendido: 1-3-4-2).
25 a)
[image:33.612.193.436.68.382.2]b)
Figura 3.2 Elementos básicos de encendido 1
3.2.2 Encendido convencional (por ruptor)
Este sistema es el más sencillo de los sistemas de encendido por bobina, en él se cumplen todas las funciones que se le piden a estos dispositivos. Está compuesto por los siguientes elementos:
Bobina de encendido (también llamado transformador): su función es acumular la energía eléctrica de encendido que después se transmite en forma de impulso de alta tensión a través del distribuidor a las bujías.
Resistencia previa: se utiliza en algunos sistemas de encendido (no siempre). Se pone en cortocircuito en el momento de arranque para aumentar la tensión de arranque.
Ruptor (también llamado platinos): cierra y abre el circuito primario de la bobina de encendido, que acumula energía eléctrica con los contactos del ruptor cerrados que se transforma en impulso de alta tensión cada vez que se abren los contactos.
26 Distribuidor de encendido (también llamado delco): distribuye la alta tensión de
encendido a las bujías en un orden predeterminado.
Variador de avance centrífugo: regula automáticamente el momento de encendido en función de las revoluciones del motor.
Variador de avance de vacío: regula automáticamente el momento de encendido en función de la carga del motor.
Bujías: contiene los electrodos que es donde salta la chispa cuando recibe la alta tensión, además la bujía sirve para hermetizar la cámara de combustión con el exterior.
[image:34.612.205.423.261.400.2]La figura 3.3 muestra el sistema de encendido convencional que se describió anteriormente.
Figura 3.3 Encendido convencional 1
3.2.2.1. Funcionamiento:
Una vez que se gira la llave de contacto a posición de contacto el circuito primario es alimentado por la tensión de batería, el circuito primario está formado por el arrollamiento primario de la bobina de encendido y los contactos del ruptor que cierran el circuito a masa. Con los contactos del ruptor cerrados la corriente eléctrica fluye a masa a través del arrollamiento primario de la bobina. De esta forma se crea en la bobina un campo magnético en el que se acumula la energía de encendido. Cuando se abren los contactos del ruptor la corriente de carga se deriva hacia el condensador que está conectado en paralelo con los contactos del ruptor. El condensador se cargara absorbiendo una parte de la corriente eléctrica hasta que los contactos del ruptor estén lo suficientemente separados evitando que salte un arco eléctrico que haría perder parte de la tensión que se acumulaba en el arrollamiento primario de la bobina. Es gracias a este modo de funcionar, perfeccionado por el montaje del condensador, que la tensión generada en el circuito primario de un sistema de encendido puede alcanzar momentáneamente algunos centenares de voltios.
27 Una vez que tenemos la alta tensión en el secundario de la bobina esta es enviada al distribuidor a través del cable de alta tensión que une la bobina y el distribuidor. Una vez que tenemos la alta tensión en el distribuidor pasa al rotor que gira en su interior y que distribuye la alta tensión a cada una de las bujías.
3.2.3. Encendido convencional con ayuda electrónica
El sistema de encendido convencional tiene unas limitaciones que vienen provocadas por los contactos del ruptor, que solo puede trabajar con corrientes eléctricas de hasta 5 A, en efecto si la intensidad eléctrica que circula por el primario de la bobina es de valor bajo, también resultara de bajo valor la corriente de alta tensión creada en el arrollamiento secundario y de insuficiente la potencia eléctrica para conseguir el salto en el vacío de la chispa entre los electrodos de la bujía. Se necesitan por lo tanto valores elevados de intensidad en el arrollamiento primario de la bobina para obtener buenos resultados en el arrollamiento secundario.
La utilización del transistor como interruptor, permite manejar corrientes eléctricas mucho más elevadas que las admitidas por el ruptor, pudiéndose utilizar bobinas para corrientes eléctricas en su arrollamiento primario de más de 10 A.
28 Figura 3.4 Encendido con ayuda electrónica 1
Los sistemas de encendido con ayuda electrónica, tienen unas ventajas importantes con respecto a los encendidos convencionales:
Los ruptores utilizados en la actualidad, pese a la calidad de sus materiales (los contactos son de tungsteno), solamente soportan corrientes de hasta 5 A, sino se quiere acortar su vida útil rápidamente, mientras que los transistores son capaces de trabajar con corrientes de hasta 15 A, sin problemas de funcionamiento en toda su vida útil, por lo que los periodos de mantenimiento en estos sistemas de encendido se alarga considerablemente.
Debido a que los transistores pueden trabajar con corrientes elevadas, se utiliza bobinas de encendido con arrollamiento primario de pocas espiras (bobinas de baja impedancia). Con la reducción del número de espiras y el consiguiente descenso de la autoinducción se consigue alcanzar el valor máximo de la corriente primaria en un tiempo sensiblemente menor, cuando se cierran los contactos del ruptor, pues la oposición que presenta la bobina (autoinducción) a establecerse la corriente primaria, es notablemente menor. La formación del campo magnético es mucho más rápida, almacenándose la máxima energía en un corto espacio de tiempo, lo que en regímenes elevados no es posible obtener en los sistemas de encendido convencionales, debido al poco tiempo que los contactos del ruptor permanecen cerrados. En el encendido con ayuda electrónica, el ruptor (platinos) solamente se ocupa de conmutar la corriente de base del transistor (300 a 500 mA), con lo que el "chispeo" clásico que se produce en los encendidos convencionales no tiene lugar aquí y no es preciso utilizar el condensador, cuya función de corte rápido de la corriente primaria ya no es necesaria, porque esta función la desempeña el transistor.
29 En la figura 3.5 puede verse otra tipo de encendido con ayuda electrónica. El transistor T1 tiene un circuito emisor-base gobernado por los contactos del ruptor, que estando cerrados le hacen conducir y de esta forma se establece el circuito base-emisor del transistor T2, lo cual permite que circule la corriente por el arrollamiento primario de la bobina a través del colector-emisor del T2. Cuando los contactos de ruptor se abren queda interrumpido el circuito emisor-base de T1, bloqueándose este transistor, lo que impide al mismo tiempo la conducción de T2 cuyo circuito base-emisor esta ahora interrumpido. El conjunto electrónico formado dispone de otros componentes (resistencias, diodos y condensadores), algunos de los cuales no se han representado en la figura, cuya misión es la de proteger a los transistores contra sobrecargas. Como a los transistores empleados para la conmutación en los sistemas de encendido, se les exige una alta potencia y gran resistencia a tensiones eléctricas.
Figura 3.5 Encendido con ayuda electrónica 2 1
Como se ve en el figura 3.6 el suministro de tensión al primario de la bobina se lleva a cabo a través de un par de resistencias adicionales (3), normalmente conectadas en serie. Al efectuar el arranque se puentea la resistencia izquierda a través del terminal (4), al motor de arranque. Con ello se dispone de un mayor suministro de energía a través de la resistencia adicional derecha, en la bobina de encendido. Esta compensa la desventaja derivada del proceso de arranque y de la caída de tensión en la batería (por el gran consumo de corriente eléctrica que necesita el motor de arranque). Las resistencias previas sirven para limitar la corriente primaria en bobinas de encendido de baja resistencia y rápida carga. Con ello evitan, especialmente a bajas revoluciones, una sobrecarga en la bobina de encendido y protegen el contacto del ruptor de encendido.
30 Figura 3.6 Conexión del sistema con ayuda electrónica 1
3.3. MICROCONTROLADORES
3.3.1. Qué es un Microcontrolador
Un micro controlador es un dispositivo electrónico capaz de llevar a cabo procesos lógicos. Estos procesos o acciones son programados en lenguaje ensamblador por el usuario, y son introducidos en éste a través de un programador.
3.3.2. Arquitectura básica de los Microcontroladores
3.3.2.1. Arquitectura Von Neumann
La arquitectura tradicional de computadoras y microprocesadores se basa en el esquema propuesto por John Von Neumann (figura 3.7), en el cual la unidad central de proceso, o CPU, está conectada a una memoria única que contiene las instrucciones del programa y los datos.
Las principales limitaciones de esta arquitectura son:
La longitud de las instrucciones es limitada por la unidad de longitud de datos por lo que se tiene que hacer varios accesos a memoria para buscar instrucciones complejas.
31 Figura 3.7 Arquitectura Von Neumann 1
3.3.2.2. La arquitectura Harvard
La arquitectura conocida como Harvard, consiste simplemente en un esquema en que el CPU está conectado a dos memorias por medio de dos buses separados (Figura 3.8). Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa, y es llamada Memoria de Programa. La otra memoria solo almacena los datos y es llamada Memoria de Datos. Ambos buses son totalmente independientes y pueden ser de distintos anchos.
Figura 3.8 Arquitectura Harvard 1
Las ventajas de esta arquitectura son:
a) Que el tamaño de las instrucciones no está relacionado con el de los datos, por lo que permite que cada instrucción solo ocupe una sola posición de memoria de programa.
b) Que la velocidad de acceso aumenta al poseer acceso de instrucciones separado del acceso a los datos.
3.3.3. Componentes de un Microcontrolador
3.3.3.1. Procesador
Los microcontroladores disponen de un oscilador que genera los pulsos que sincronizan todas las operaciones internas. El oscilador puede ser del tipo RC, aunque generalmente se prefiere que esté controlado por un cristal de cuarzo (XTAL) debido a su gran estabilidad de frecuencia. La velocidad de ejecución de las instrucciones del programa está en relación directa con la frecuencia del oscilador del microcontrolador.
32 operadores y el almacenamiento del resultado. Existen tres orientaciones en cuanto a la arquitectura y funcionalidad de los procesadores actuales.
3.3.3.2. CISC
Un gran número de procesadores usados en los microcontroladores están basados en la filosofía CISC (Complex Instruction Set Computer). Disponen de más de 80 instrucciones máquina en su repertorio, algunas de las cuales son muy sofisticadas y potentes, requiriendo muchos ciclos para su ejecución. Una ventaja de los procesadores CISC es que ofrecen al programador instrucciones complejas que actúan como macros.
3.3.3.3. RISC
Tanto la industria de los computadores comerciales como la de los micro controladores están decantándose hacia la filosofía RISC (Reduced Instruction Set Computer). En estos procesadores el repertorio de instrucciones máquina es muy reducido y las instrucciones son simples y, generalmente, se ejecutan en un ciclo. La sencillez y rapidez de las instrucciones permiten optimizar el hardware y el software del procesador.
3.3.3.4. SISC
En los microcontroladores destinados a aplicaciones muy concretas, el juego de instrucciones, además de ser reducido, es específico, o sea, las instrucciones se adaptan a las necesidades de la aplicación prevista. Esta filosofía se ha bautizado con el nombre de SISC (Computadores de Juego de Instrucciones Específico).
3.3.4. Los microcontroladores PIC
La arquitectura de los PIC responden al esquema de bloques basado en la arquitectura Harvard, con memorias de programa y de datos separadas. La memoria de programa está organizada en palabras de 12,14 ó 16 bits mientras que la memoria de datos está compuesta por registros de 8 bits.
Por otra parte todos los PIC son microcontroladores RISC que cuentan con un pequeño número de instrucciones: entre 33 y 77.
3.3.5. MEMORIA
3.3.5.1. ROM
33
3.3.5.2. OTP
El micro controlador contiene una memoria no volátil de sólo lectura programable una sola vez por el usuario. OTP (One Time Programmable). Es el usuario quien puede escribir el programa en el chip mediante un sencillo grabador controlado por un programa desde un PC.
3.3.5.3. EPROM
Los microcontroladores que disponen de memoria EPROM (Erasable Programmable Read OnIy Memory) pueden borrarse y grabarse muchas veces. La grabación se realiza, como en el caso de los OTP, con un grabador gobernado desde un PC. Si, posteriormente, se desea borrar el contenido, disponen de una ventana de cristal en su superficie por la que se somete a la EPROM a rayos ultravioleta durante varios minutos. Las cápsulas son de material cerámico y son más caros que los microcontroladores con memoria OTP que están hechos con material plástico.
3.3.5.4 EEPROM, E2PROM o E² PROM
Se trata de memorias de sólo lectura, programables y borrables eléctricamente EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read OnIy Memory). Tanto la programación como el borrado, se realizan eléctricamente desde el propio grabador y bajo el control programado de un PC. Es muy cómoda y rápida la operación de grabado y la de borrado. No disponen de ventana de cristal en la superficie. Los microcontroladores dotados de memoria EEPROM una vez instalados en el circuito, pueden grabarse y borrarse cuantas veces se quiera sin ser retirados de dicho circuito. Para ello se usan "grabadores en circuito" que confieren una gran flexibilidad y rapidez a la hora de realizar modificaciones en el programa de trabajo. El número de veces que puede grabarse y borrarse una memoria EEPROM es infinito, por lo que no es recomendable una reprogramación continúa. Son muy idóneos para la enseñanza y la Ingeniería de diseño. Se va extendiendo en los fabricantes la tendencia de incluir una pequeña zona de memoria EEPROM en los circuitos programables para guardar y modificar cómodamente una serie de parámetros que adecuan el dispositivo a las condiciones del entorno.
3.3.5.5. FLASH
34
3.3.6. Puertas de E/S
Las puertas de Entrada y Salida (E/S) permiten comunicar al procesador con el mundo exterior, a través de interfaces, o con otros dispositivos. Estas puertas, también llamadas puertos, son la principal utilidad de los pines de un microprocesador. Según los controladores de periféricos que posea cada modelo de microcontrolador, las líneas de E/S se destinan a proporcionar el soporte a las señales de entrada, salida y control.
3.3.7. Reloj principal
Todos los microcontroladores disponen de un circuito oscilador que genera una onda cuadrada de alta frecuencia, que configura los impulsos de reloj usados en la sincronización de todas las operaciones del sistema. Esta señal del reloj es el motor del sistema y la que hace que el programa y los contadores avancen. Generalmente, el circuito de reloj está incorporado en el microcontrolador y sólo se necesitan unos pocos componentes exteriores para seleccionar y estabilizar la frecuencia de trabajo. Dichos componentes suelen consistir en un cristal de cuarzo junto a elementos pasivos o bien un resonador cerámico o una red R-C. Aumentar la frecuencia de reloj supone disminuir el tiempo en que se ejecutan las instrucciones pero lleva aparejado un incremento del consumo de energía y de calor generado.
3.3.8. Recursos especiales
Los principales recursos específicos que incorporan el micro controlador son: Temporizadores o Timers.
Perro guardián o Watchdog.
Protección ante fallo de alimentación o Brownout. Estado de reposo o de bajo consumo (Sleep mode). Convertidor A/D (Analógico ->Digital).
Convertidor D/A (Digital ->Analógico). Comparador analógico.
Modulador de anchura de impulsos o PWM (Pulse Wide Modulation). Puertas de E/S digitales.
Puertas de comunicación.
A continuación se describirán estos recursos especiales:
3.3.8.1. Temporizadores o
Timers
35
3.3.8.2 Perro guardián o
Watchdog
Cuando la PC personal se bloquea por un fallo del software u otra causa, se pulsa el botón del reset y se reinicia el sistema. Pero un microcontrolador funciona sin el control de un supervisor y de forma continua las 24 horas del día. El Perro Guardián consiste en un contador que, cuando llega al máximo, provoca un reset automáticamente en el sistema. El oscilador envía sus pulsos periódica y permanentemente a la entrada del reloj del contador. Si el contador llega a contar los N pulsos, se desborda, su salida se activa y produce el reset del microcontrolador.
3.3.8.3 Protección ante falla de alimentación o
Brownout
Se trata de un circuito que realiza el reset al microcontrolador cuando el voltaje de alimentación (VDD) es inferior a un voltaje mínimo (brownout). Mientras el voltaje de alimentación sea inferior al de brownout el dispositivo se mantiene en reset, comenzando a funcionar normalmente cuando sobrepasa dicho valor. Esto es muy útil para evitar datos erróneos por transiciones y ruidos en la línea de alimentación.
3.3.8.4. Estado de reposo o de bajo consumo
Son abundantes las situaciones reales de trabajo en que el microcontrolador debe esperar, sin ejecutar alguna instrucción, a que se produzca algún acontecimiento externo que le ponga de nuevo en funcionamiento. Para ahorrar energía, (factor clave en los aparatos portátiles), los microcontroladores disponen de una instrucción especial (SLEEP en los PIC), que les pasa al estado de reposo o de bajo consumo, en el cual los requerimientos de potencia son mínimos. En dicho estado se detiene el reloj principal y se congelan sus circuitos asociados. Al activarse una interrupción ocasionada por el acontecimiento esperado, el microcontrolador se despierta y reanuda su trabajo.
3.3.8.5. Convertidor A/D (CAD)
Los microcontroladores que incorporan un Convertidor A/D (Analógico/Digital) pueden procesar señales analógicas, tan abundantes en las aplicaciones. Suelen disponer de un multiplexor que permite aplicar a la entrada del CAD diversas señales analógicas desde los pines del circuito integrado.
3.3.8.6. Convertidor D/A (CDA)
36
3.3.8.7. Comparador analógico
Algunos modelos de microcontroladores disponen internamente de un Amplificador Operacional que actúa como comparador entre una señal fija de referencia y otra variable que se aplica por uno de los pines de la cápsula. La salida del comparador proporciona un nivel lógico 1 ó 0 según una señal sea mayor o menor que la otra. También hay modelos de microcontroladores con un módulo de tensión de referencia que proporciona diversas tensiones de referencia que se pueden aplicar en los comparadores.
3.3.8.8. Modulador de anchura de impulsos o PWM
Son circuitos que proporcionan en su salida impulsos de anchura variable, que se ofrecen al exterior a través de los pines del encapsulado.
3.3.8.9. Puertos digitales de E/S
Todos los microcontroladores destinan parte de sus pines a soportar líneas de E/S digitales. Por lo general, estas líneas se agrupan de ocho en ocho formando Puertos.
Las líneas digitales de las Puertos pueden configurarse como Entrada o como Salida cargando un 1 ó un 0 en el bit correspondiente de un registro destinado a su configuración.
3.3.8.10. Puertas de comunicación
Con objeto de dotar al microcontrolador de la posibilidad de comunicarse con otros dispositivos externos, otros buses de microprocesadores, buses de sistemas, buses de redes y poder adaptarlos con otros elementos bajo otras normas y protocolos.
Algunos modelos disponen de recursos que permiten directamente esta tarea, entre los que destacan:
UART, adaptador de comunicación serie asíncrona. (Ej.: Puerto Serie)
USART, adaptador de comunicación serie síncrona y asíncrona
Puerta paralela esclava para poder conectarse con los buses de otros microprocesadores.
USB (Universal Serial Bus), que es un moderno bus serie para los PC.
Bus I2C, que es un interfaz serie de dos hilos desarrollado por Philips.
37
3.4. LA FAMILIA DE LOS PIC
3.4.1. Introducción
Los PIC son una familia de microcontroladores fabricados por Microchip cuya arquitectura, capacidades, juego de instrucciones y especialmente su bajo costo lo hacen muy útil en pequeñas aplicaciones así como parte de otras aplicaciones de mayor envergadura sustituyendo a gran cantidad de circuitos lógicos convencionales.
3.4.2. La Familia PIC
Existen PIC’s de cuatro gamas distintas:
3.4.2.1 Gama enana. PIC12CXXX
Se trata de un grupo de PIC de reciente aparición que ha acaparado la atención del mercado (Figura 3.9). Su principal característica es su reducido tamaño, al disponer todos sus componentes de 8 patitas además de disponer de 6 líneas de E/S. Se alimentan con un voltaje de corriente continua comprendido entre 2,5 V y 5,5 V, y consumen menos de 2 mA cuando trabajan a 5 V y 4 MHz. El formato de sus instrucciones puede ser de 12 o de 14 bits y su repertorio es de 33 o 35 instrucciones, respectivamente.
Algunos modelos incluyen convertidores A/D y memoria EEPROM de datos.
Figura 3.9. Gama Enana Pic12F675 1
