Control remoto de una biochimenea por medio de una aplicación Android

CONTROL REMOTO DE UNA BIOCHIMENEA POR MEDIO DE

UNA APLICACIÓN ANDROID

PRESENTADO POR: CARLOS ALBERTO MANTILLA NOVA

CODIGO: 20082005038

DIRECTOR: Prof. JULIAN ROLANDO CAMARGO LOPEZ

PROYECTO DE GRADO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS

PROYECTO CURRICULAR DE INGENÍERIA ELECTRÓNICA

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AGRADECIMIENTOS

Mis más sinceros agradecimientos a todos mis amigos, familiares, maestros, grupos de trabajo que me acompañaron en la realización de esta meta, por aportarme grandes conocimientos en el trascurso de esta carrera universitaria y de la vida. La culminación de este proyecto es también el triunfo de todos aquellos a que me dedicaron el tiempo para asesorarme, enseñarme y corregirme.

A mis padres por toda la paciencia y sabiduría que me han trasmitido, por enseñarme a perseverar y a soñar, por enseñarme a creer que cualquier cosa es posible con dedicación y esfuerzo continuado.

A mis hermanos que son mi ejemplo a seguir desde que tengo uso de conciencia, por aportarme tantos conocimientos e ideas, por ser una guía y un faro a seguir.

Muchos agradecimientos a todos mis maestros, no solo por sus conocimientos sino además por su experiencia y sabiduría en varios ámbitos de la ingeniería electrónica. Por su paciencia para enseñar y por excelentes métodos de aprendizaje que son las que hacen grande esta carrera de Ingeniería electrónica.

A la Universidad Distrital por permitirme cumplir mi sueño de ser Ingeniero Electrónico, por facilitarme de todo el material de estudio como libros, computadores, equipos de laboratorio etc. así como espacios para la socialización y el deporte.

3

Índice

1. INTRODUCCION ... 9

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 10

3. OBJETIVOS ... 11

3.1. Objetivo General ... 11

3.2. Objetivos Específicos ... 11

4. JUSTIFICACION ... 12

5. MARCO TEORICO... 13

5.1. Biochimenea ... 13

5.1.1. Quemador ... 13

5.1.2. Combustible ... 13

5.1.3. Seguridad ... 13

5.1.4. Rendimiento ... 13

5.2. Microcontrolador ... 14

5.2.1. Comunicación UART... 15

5.2.2. Conversor Analógico Digital ... 16

5.2.3. Protocolo de Comunicación SPI ... 17

5.2.4. Protocolo de Comunicación I2C ... 18

5.2.5. PWM ... 19

5.2.6. Fuentes de interrupción ... 20

5.3. Visualizador LCD ... 21

5.4. Lenguaje de programación C ... 21

5.4.1. Entorno de programación de PIC C Compiler ... 22

5.5. Sensores de distancia de Tiempo de vuelo (TOF)... 23

5.6. Acelerómetro ... 23

5.7. Termocupla... 24

5.8. Transformador Flyback ... 24

5.9. Aplicaciones Android ... 25

5.9.1. Actividades ... 26

5.9.2. Servicios ... 26

4

5.10. Comunicación inalámbrica ... 28

5.10.1. Bluetooth ... 28

5.10.2. Bluetooth Low Energy(BLE) ... 28

6. ESTADO DEL ARTE... 29

7. METODOLOGIA ... 30

7.1. FASE 1 Análisis de requerimientos ... 30

7.2. FASE 2: Acondicionamiento de sensores, módulos y comunicación con la aplicación Android ... 30

7.3. FASE 3: Diseño electrónico y de la aplicación Android ... 32

7.3.1. Bomba de combustible ... 32

7.3.2. Generador de alto voltaje ... 33

7.3.3. Fuente de poder y reguladores de tension ... 33

7.3.4. Diseño del programa del microcontrolador... 33

7.4. FASE 3: Autonomía ... 34

7.5. FASE 4: Elaboración del Prototipo ... 34

7.6. FASE 5: Comprobación y Validación ... 34

7.7. Diagrama de bloques ... 35

8. ANALISIS Y DESARROLLO ... 37

8.1. Sensor de distancia ... 38

8.2. Baterías de Litio ... 39

8.3. Medición de carga de la batería... 40

8.4. Termocupla... 42

8.5. Acelerómetro ... 43

8.6. Módulo de comunicación Bluetooth ... 44

8.7. Circuito Electrónico ... 45

8.7.1. Control PWM de la bomba de combustible ... 45

8.7.2. Generador de alta tensión ... 45

8.7.3. Circuito Anti rebote para el pulsador ... 47

8.7.4. Circuito de alimentación y de carga de las baterías ... 47

8.8. Microcontrolador ... 48

8.8.1. Configuración del microcontrolador ... 49

8.8.2. Variables y métodos del programa ... 50

5

8.8.4. Proceso principal ... 52

8.8.5. Funciones ... 56

8.9. Interfaz ICSP (In-circuit serial programming) ... 64

8.10. Aplicación Android ... 65

8.11. Visualizador LCD ... 73

8.12. Impreso PCB... 74

8.13. Autonomia ... 74

8.14. Diseño del prototipo Encapsulado ... 75

8.15. Flotador ... 80

9. ANALISIS DE RESULTADOS ... 82

9.1. Costos de producción y desarrollo ... 90

10. Conclusiones ... 91

11. ALCANCES Y LIMITACIONES ... 92

11.1. Alcances ... 92

11.2. Limitaciones ... 92

12. REFERENCIAS ... 93

13. ANEXOS ... 96

13.1. Circuito electrico ... 96

13.2. Aplicacion Android ... 97

13.2.1. DeviceList.java... 97

13.2.2. BluetoothLeService.java ... 103

13.2.3. Home.java ... 109

13.2.4. ONCH.java ... 122

6

Índice de Figuras

Comparación entre chimenea tradicional y ecológica. [8] ... 14

Trama con 6 bits de datos, dos bits de parada y sin bit de paridad a 9600 BAUD [15] ... 15

Esquema de conexiones entro dos dispositivos con puerto UART [16] ... 16

Circuito de muestreo y retención, y registro de aproximaciones sucesivas [18] ... 17

Conexión Maestro-esclavo entre dos dispositivos SPI[18] ... 17

Topología típica de una comunicación I2C maestro y esclavos [19] ... 18

Variación de la potencia según en ciclo de trabajo de la señal PWM [20] ... 19

Señal analógica luego de aplicar un filtro RC a la señal PWM [20]... 20

Componentes del módulo Cristal líquido ML016L [17] ... 21

Proceso de compilación de un lenguaje de alto nivel a bajo nivel [21] ... 22

Espacio de trabajo de PIC C [22] ... 22

topología de un sensor TOF (tiempo de vuelo) [24] ... 23

Esquema eléctrico básico para hacer funcionar un transformador Flyback [27] ... 25

Entorno de programación de Android Studio ... 27

Diagrama de bloques, estructura del sistema ... 35

Arreglo de resistencias para un divisor resistivo que medirá el nivel de carga de las baterías ... 40

Esquema de conexión para comunicar el modulo con el microcontrolador[26] ... 43

Esquema de pines del módulo de comunicación Bluetooth HM-10 ... 45

Esquema eléctrico para controlar la bomba de combustible por medio de la señal PWM 45 Esquema eléctrico de potencia para controlar el encendido del arco eléctrico en el transformador flyback ... 46

Circuito Antirrebote para controlar la biochimenea por medio de un pulsador ... 47

Esquema eléctrico para regular el voltaje del sistema y de carga de las baterías ... 48

Interfaz ICSP para facilitar la programación del microcontrolador[38] ... 64

Diagrama de flujo general entre las actividades, servicio de enlace de la aplicación y microcontrolador en la biochimenea ... 65

Diagrama de flujo de la clase DeviceList.java ... 66

diagrama de flujo de las excepciones y permisos de la aplicación ... 67

Diagrama de flujo de la clase BluetoothLeService.java ... 68

Diagrama de flujo de la clase Home.java... 69

Diagrama de flujo de la clase ONCH.java ... 70

Interfaz gráfica de las actividades Devicelist y Home ... 71

Interfaz gráfica de la actividad ONCH... 71

Evento de desconexión esporádica y conexión con el modulo bluetooth en la biochimenea ... 72

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Modulo que se encarga de convertir la comunicación en paralelo a una serial I2C ... 73

Diseño del circuito impreso (PCB) ... 74

Diseño y dimensiones de la estructura principal de la biochimenea ... 76

Tapa superior donde se ubican los botones, LCD y la entrada para recargar el tanque de combustible ... 76

Canal donde ocurre la combustión del etanol ... 77

Tapa de orificios por donde saldrá la llama proveniente de la combustión que ocurre en la canal inferior ... 77

Tapa del tanque de combustible donde se ubica el sensor de distancia ... 78

Tanque de combustible donde se ubica la bomba de combustible y el flotador ... 78

Biochimenea semi-ensamblada ... 79

Biochimenea completamente ensamblada ... 79

Flotador terminado en base a los cálculos realizados ... 81

Log de mensajes de la aplicación Android en el escaneo de dispositivos bluetooth ... 82

Log de mensajes de la aplicación Android cuando se conecta a un dispositivo bluetooth 83 Log de mensajes cuando se programa un tiempo específico y es enviado al microcontrolador ... 84

Log de mensajes cuando termina el tiempo programado ... 85

(a):Log de mensajes en el evento de desconexión esporádica y posterior reconexión.(b)Mensaje emergente mientras la aplicación se conecta nuevamente ... 85

Log de mensajes cuando se actualiza el tiempo en la actividad ONCH ... 86

Log de mensajes cuando el usuario desea apagar la combustión de la llama por medio de actividad ONCH ... 86

Log de mensajes cuando se programa un tiempo de combustión para consumir todo el combustible disponible ... 87

Log de mensajes cuando la biochimenea recibe una vibración y es enviada una alerta a la aplicación ... 87

Mensaje de alerta cuando la aplicación recibe una alerta de vibración ... 88

Log de mensajes donde la aplicación consulta al microcontrolador si la biochimenea está quemando combustible... 88

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Índice de Tablas

Tabla 1: Comparativa entre los diferentes sensores considerados para desarrollar el proyecto ... 38 Tabla 2: Características principales de la batería principal y secundaria... 40 Tabla 3: comparativa entre los dos módulos de termocupla mejor aptos para el sistema 43 Tabla 4: Comparación del consumo eléctrico en diferentes tecnologías inalámbricas [33] ... 44

9

1.

INTRODUCCION

Las biochimeneas cumplen la función de generar energía calorífica a base de un combustible líquido como el etanol, a una baja emisión de CO2, sin instalaciones externas de electricidad o combustible, que en el mercado nacional se encuentran a la venta para ser manipuladas de forma manual, por lo que se desea innovar tecnológicamente la operación y el funcionamiento de una biochimenea, aumentando sus capacidades generales tanto en autonomía, comodidad y funcionalidad.

La implementación de un control a distancia a una biochimenea a base de combustible etílico, se trata directamente como desarrollar un proyecto de IOT(Internet of things), en el que es necesario el uso de la electrónica digital y comunicación a distancia, se deben utilizan sensores y actuadores debido a la naturaleza liquida del combustible, por el concepto básico del quemador de combustible, y de los requerimientos del prototipo final. Se deben tener en cuenta diferentes parámetros y umbrales de seguridad para cumplir con un estándar de calidad que se le debe proporcionar al usuario. El sistema toma las señales de los sensores y las señales de entrada operadas por el usuario y este avanza de un evento a otro.

Se analiza que tipos de sensores son los más adecuados para este proyecto, que sean económicos y de fácil adquisición, y el tipo de microcontrolador que tenga las capacidades de recibir las señales de los sensores y controlar los componentes que interviene directamente con la combustión del combustible.

Una parte fundamental del proyecto es la aplicación Android, que se comunica inalámbricamente con el microcontrolador y que envía tanto las decisiones del usuario como recibir las señales de los sensores en la biochimenea.

El sistema requiere de una estructura rígida y resistente al calor, que se desarrolla en la etapa final del proyecto, porque se trata de una estructura que necesita las métricas físicas de la placa de circuitos electrónicos.

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2.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Las Chimeneas de etanol ofrecen características que las chimeneas tradicionales y de gas no tienen, son ecológicas, económicas, se instalan fácilmente, y su portabilidad para trasportarlas a otra área debido a su fácil instalación. [1][2]

En la actualidad, en la región Colombiana, la interacción entre el usuario y una biochimenea adquirida en el mercado nacional, se hace de manera manual, el usuario mismo se encarga de verter el combustible en el quemador de la biochimenea, debe encargarse de encender la llama, por medio de un ignitor, como un encendedor, involucrando su integridad física y poniendo en potencial peligro su alrededor, con una posible propagación de una llama indeseada. [1][3]

Es por esto que se hace necesaria encontrar una forma de que la interacción entre el usuario y la chimenea sea mínima, darle mayor seguridad al usuario en el manejo del combustible y del encendido de la chimenea, reduciendo al mínimo la posibilidad de que el combustible haga ignición por fuera del quemador, y lo más importante reducir el contacto que tiene el usuario con el combustible y la llama, dándole seguridad y practicidad al momento de operar su chimenea.

Además, el usuario al estar familiarizado con operar dispositivos de su hogar de manera remota, como televisores, equipos de sonido, etc. También resultaría practico operar su biochimenea de manera remota.

Al automatizar electrónicamente la chimenea se logra alejar al usuario de la chimenea, sin embargo, para poder controlarla remotamente se puede hacer uso de un control remoto específico para esta función, como el caso fuera de un televisor o un equipo de sonido, por lo que surge la pregunta: ¿Es posible operar todas las funciones de una Biochimenea de manera segura y eficiente de manera que pueda ser operada remotamente como si fuera un televisor u otro equipo de entretenimiento?

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3.

OBJETIVOS

3.1. Objetivo General

 Diseñar e Implementar un sistema para controlar, monitorizar y proveer combustión segura en una biochimenea.

3.2. Objetivos Específicos

 Diseñar el sistema eléctrico y electrónico que controle las acciones y procesos de la biochimenea que garantice seguridad, calidad y bajos costos.

 Facilitar el uso de una biochimenea por medio de una aplicación Android, por la cual se controla y se monitoriza los procesos que se llevan a cabo.

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4.

JUSTIFICACION

En la realización de este proyecto se hará uso de áreas de la ingeniería electrónica, como la instrumentación industrial, el diseño digital con microcontroladores, electrónica básica, y electrónica de potencia, además de áreas como la programación orientada a objetos, herramientas con las cuales se desea buscar comodidad y practicidad. En la actualidad resulta practico la implementación de un control remoto que esté integrado como una aplicación en un Smartphone o cualquier dispositivo móvil. Es por medio de esta dispositivo que se desea que el usuario interactué con la biochimenea, por practicidad.

Ecológicamente, una biochimenea tiene una gran ventaja sobre cualquier otro tipo de calefacción, al quemarse el etanol este emite bajos niveles de CO2 y H2O [4], al contrario del gas y la madera, que emite altos niveles de CO2, siendo un contaminante natural y que requiere de ductos de escape o de zonas muy ventiladas [5], además, el aire acondicionado presenta también una desventaja porque que el aire debe pasar por filtros que acumulan suciedad del ambiente circundante, además de tener un alto consumo eléctrico debido a la naturaleza de su funcionamiento. [6]

Socialmente, la comodidad y la seguridad que provee una solución que controle los procesos de una chimenea, presenta una ventaja para el usuario, porque el proyecto se enfoca en implementar una mejora tecnológica para hacer más fácil la operación de la biochimenea.

Se desea realizar este proyecto, debido a que en la actualidad el mercado nacional de las biochimeneas aún es reciente, no se ha modernizado tecnológicamente el funcionamiento, la operación de la biochimenea aún se realiza de forma manual y además se tiene la oportunidad de implementar este proyecto para un fabricante de biochimeneas local.

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5.

MARCO TEORICO

5.1. Biochimenea

Las chimeneas de etanol son un concepto relativamente nuevo que por la naturaleza del combustible no requiere ductos para la emisión de gases tóxicos al exterior; debido al estado líquido del etanol, no necesita una acometida o suministro constante ya que es retenido por el quemador en compartimientos internos, gracias a estas características permite una fácil instalación, movilidad y reubicación, de la misma manera las posibilidades de diseños son muy amplias.

Todas las chimeneas están compuestas por una estructura y uno o varios quemadores de etanol que son el principal elemento de la chimenea. [2]

5.1.1. Quemador

Parte fundamental de la chimenea, su función de almacenamiento y de recamara de combustión, que permite la quema segura de etanol, construido en acero inoxidable de alta densidad, ofrece longevidad a través de los años de uso, ofreciendo la seguridad necesaria sin riesgos.

El quemador es una recamara de combustión en acero inoxidable que absorbe y almacena el combustible y lo libera lentamente en la combustión.

Completamente sellado garantiza la seguridad de la llama protegiéndolo al usuario y a las personas o animales que se encuentran cerca.

Es la investigación y la elección de los materiales para el adecuado funcionamiento, lo que permite un mejoramiento en el rendimiento y funcionalidad. El uso de modernos compuestos para la estabilidad de la combustión y el control de calidad permiten una sólida construcción de este elemento de vital importancia para la chimenea. [2]

5.1.2. Combustible

Combustible de origen vegetal, en forma líquida y almacenable, que al hacer combustión se convierte en energía calórica con bajos índices de CO2 (comparable a 2 velas encendidas o 3 personas respirando en una misma habitación), sus llamas se caracterizan por el color amarillo en las crestas y azul celeste en la base. [2]

5.1.3. Seguridad

Cada chimenea incorpora un robusto quemador en acero inoxidable que permite la combustión segura del etanol soportando altas temperaturas sin que se altere ni se pierdan propiedades funcionales, estructurales o estéticas. [7]

5.1.4. Rendimiento

14 funcionamiento puede suponer un ahorro en calefacción. En la figura 1 se observa una comparación entre una chimenea tradicional y una Ecológica. [8]

Figura 1: Comparación entre chimenea tradicional y ecológica. [8]

El cálculo de la potencia calorífica requerida para una estancia puede determinarse con la siguiente fórmula: Volumen = largo x ancho x alto (en metros). Potencia calorífica requerida en Kw/h = Volumen x 0.04. Para una habitación de unos 30 metros cuadrados con una altura de techo estándar de 2,5metros (volumen=75), una chimenea de bioetanol con una capacidad calorífica de 3 kW/h más que suficiente como sistema de calefacción. [2]

5.2. Microcontrolador

Un microcontrolador es un circuito integrado digital que puede ser usado para diversos propósitos debido a sus registros programables. Está compuesto por una unidad central de proceso (CPU), memorias (ROM y RAM) y líneas de entrada y salida (periféricos).

Un microcontrolador puede usarse para muchas aplicaciones algunas de ellas son: manejo de sensores, controladores, juegos, calculadoras, agendas, avisos lumínicos, secuenciador de luces, cerrojos electrónicos, control de motores, relojes, alarmas, robots, entre otros.

Como el hardware ya viene integrado en un solo chip, para usar un microcontrolador se debe especificar su funcionamiento por software a través de programas que indiquen las instrucciones que el microcontrolador debe realizar. En una memoria se guardan los programas y un elemento llamado CPU se encarga de procesar paso por paso las instrucciones del programa. Los lenguajes de programación típicos que se usan para este fin son ensamblador y C, pero antes de grabar un programa al microcontrolador hay que compilarlo a hexadecimal que es el formato con el que funciona el microcontrolador.

Para diseñar programas es necesario conocer los bloques funcionales básicos del microcontrolador, estos bloques son:

 CPU (Unidad central de proceso)

 Memoria ROM (Memoria de solo lectura)

15

 Líneas de entrada y salida (Periféricos)

La CPU posee, de manera independiente, una memoria de acceso rápido para almacenar datos denominada registros, si estos registros son de 8 bits se dice que el microcontrolador es de 8 bits. [9]

5.2.1. Comunicación UART

El transmisor y receptor asíncrono universal es el dispositivo que controla los puertos y dispositivos serie. Se encuentra integrado en los microcontroladores, es comúnmente conocido como puerto serial.

La función principal de un puerto serial, es la de empacar y des-empacar paquetes de datos binarios seriales. Como resultado, la serialización significa convertir un dato paralelo (byte) a un conjunto de pulsos seriales que puedan ser recibidos y enviados por una línea de transmisión.

En primer lugar, el protocolo serial opera mediante tres condiciones digitales básicas: inicio de transmisión (IT), paridad (P) y fin de transmisión (FT). Estas condiciones son sincronizadas mediante un oscilador interno. El generador permite controlar la velocidad del puerto serial. Por lo tanto, la velocidad se mide en baudios

Para configurar al módulo se requiere indicar la velocidad de operación. Los BAUDios que es una medida de cuantos bits por segundo se van a transmitir, se configuran mediante un registro de propósito específico. Dependiendo del lenguaje de programación la configuración puede ser relativamente sencilla. (Valdés Pérez & Pallás Areny, 2007)

También es necesario configurar cuantos bits de parada y si habrá o no bit de paridad. Una de las configuraciones más usadas para un puerto serial es:

 8 bits de datos

 1 bit de parada

 Sin bit de paridad

 1 bit de inicio

 Velocidad de 9600 BAUD

En la figura 2 se observa una trama conformada por los bits antes mencionados y su velocidad

16 Para que pueda haber una sincronización de los datos enviados, se requiere que ambos dispositivos que usen el mismo puerto serial, tengan la misma configuración como se muestra en la figura 3.

Figura 3: Esquema de conexiones entro dos dispositivos con puerto UART [16]

5.2.2. Conversor Analógico Digital

La conversión analógica-digital consiste básicamente en realizar de forma periódica medidas de la amplitud de una señal, redondear sus valores a un conjunto finito de niveles preestablecidos de tensión conocidos como niveles de cuantificación y registrarlos como números enteros en cualquier tipo de memoria o soporte.

El funcionamiento de la conversión analógico - digital se caracteriza por tener información analógica que no es directamente manipulable, ni procesable, mediante sistemas digitales o a través de un ordenador, pero sí lo son las señales digitales que pueden almacenarse indefinidamente, y pueden incluso reproducir la señal analógica sin error apreciable.

La cuantificación de una señal analógica es el proceso por el cual los valores continuos de una señal analógica se convierten en series de valores numéricos discretos correspondientes a los diferentes niveles o variaciones de voltajes que contiene la señal analógica original. Por tanto, cuantificar representa el componente de muestreo de las variaciones de valores de tensiones o voltajes tomados en diferentes puntos de la onda sinusoidal, que permite medirlos y asignarles sus correspondientes valores en el Sistema numérico, antes de convertir esos valores en sistema numérico binario.

El puerto ADC de un microcontrolador se compone de circuitos de muestreo y retención que se utilizan para muestrear una señal analógica en un instante dado y mantener el valor de la muestra durante tanto tiempo como sea necesario. Luego con ayuda de los registros de aproximaciones sucesivas, se obtiene una conversión Analógico-Digital de forma precisa. (Valdés Pérez & Pallás Areny, 2007)

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Figura 4:Circuito de muestreo y retención, y registro de aproximaciones sucesivas [18]

Después de realizada la cuantificación, los valores de las tomas de voltajes se representan numéricamente por medio de códigos y estándares previamente establecidos. Lo más común es codificar la señal digital en código numérico binario.

5.2.3. Protocolo de Comunicación SPI

El protocolo de comunicación SPI (Serial Peripheral Interface) trabaja de forma sincrónica en modo full duplex para recibir y transmitir información, permitiendo que dos dispositivos puedan comunicarse entre sí al mismo tiempo utilizando canales diferentes o líneas diferentes en el mismo cable. Al ser un protocolo síncrono el sistema cuenta con una línea adicional a la de datos encarga de llevar el proceso de sincronismo.

18 Dentro de este protocolo se define un maestro que será aquel dispositivo encargado de transmitir información a sus esclavos. Los esclavos serán aquellos dispositivos que se encarguen de recibir y enviar información al maestro. El maestro también puede recibir información de sus esclavos, cabe destacar. Para que este proceso se haga realidad es necesario la existencia de dos registros de desplazamiento, uno para el maestro y uno para el esclavo respectivamente. Los registros de desplazamiento se encargan de almacenar los bits de manera paralela para realizar una conversión paralela a serial para la transmisión de información. (Valdés Pérez & Pallás Areny, 2007)

5.2.4. Protocolo de Comunicación I2C

El protocolo de comunicación I2C (Inter-Integrated Circuit) es uno de los modos de trabajo del módulo SSP (puerto serial síncrono) del microcontrolador PIC, en la comunicación I2C se utilizan dos hilos a lo que se conoce como bus I2C, a estos hilos se conectan los dispositivos que se puedan comunicar mediante el protocolo I2C, por uno de los hilos se enviará una señal de reloj para la sincronización y por el otro hilo se enviarán o recibirán datos, se pueden conectar varios dispositivos de los que uno de ellos será el maestro, es el que generará la señal de reloj además de decidir cuándo se inicia o finaliza la comunicación y si la comunicación será de recepción o transmisión de datos, los demás dispositivos conectados al bus I2C se conocen como esclavos.

Cada uno de los dispositivos tiene una dirección, cuando el maestro necesita comunicarse con alguno de los esclavos lo hará enviando la dirección del esclavo a través del bus I2C, cuando el esclavo reciba su dirección podrá comunicarse con el maestro, el maestro además tiene que enviar un bit mediante el cual le indica al esclavo si quiere enviarle un dato o quiere recibir un dato del esclavo.

Las conexiones tienen que hacerse de tal manera que los nombres de los pines coincidan, en la figura 6 se muestra cómo será la conexión para la comunicación I2C PIC, al ser utilizado el PIC como maestro, con otros dispositivos capaces de comunicarse con el protocolo I2C. (Valdés Pérez & Pallás Areny, 2007)

19 5.2.5. PWM

Una señal PWM (modulación por ancho de pulsos) es aquella en la que su periodo representado por T se tiene que mantener constante, dentro de este periodo hay momentos en que la señal estará en alto o a uno y momentos en que la señal estará en bajo o cero, en la señal PWM el tiempo que la señal está en alto se le conoce como ancho de pulso y si está expresado en porcentaje como ciclo de trabajo, este tiempo que la señal está en alto se puede modificar, de esta manera si la señal PWM se conecta a una carga, sobre esta dependiendo del T alto le llegará una tensión media, cuando mayor sea T alto más será la tensión media que le llegue a la carga siendo la mayor cuando T alto ocupa todo el periodo de la señal, y menor cuando T alto sea 0, con lo que la tensión media también será 0, por ejemplo si la carga es un motor de continua al variar la tensión media que le llegará mediante la señal PWM, se puede variar la velocidad de giro de ese motor.

Al configurar el módulo CCP del PIC en el modo PWM, esto es una modulación por ancho de pulso, en esta forma de trabajo del módulo CCPx donde x puede ser 1 o 2 dependiendo del módulo CCP utilizado, lo que se logra con el uso del módulo CCP en modo PWM es obtener por el pin CCPx una señal periódica, este pin debe ser configurado como una salida digital mediante el correspondiente TRISC, con parte de la señal obtenida en alto y parte de la señal en bajo, lo interesante de este modo de trabajo del módulo CCP PIC modo PWM es que de la señal periódica obtenida por el pin CCPx se puede modificar el tiempo que la señal estará en alto.

Las señales de frecuencia y de un ciclo de trabajo variables tienen una amplia gama de aplicaciones en automatización. Un ejemplo típico es un circuito de control de potencia. Refiérase a la figura 7. Si un cero lógico (0) indica un interruptor abierto y un uno lógico (1) indica un interruptor cerrado, la potencia eléctrica que se transmite a los consumidores será directamente proporcional a la duración del pulso. Esta relación se le denomina ciclo de trabajo. (Verle, 2017)

Figura 7:Variación de la potencia según en ciclo de trabajo de la señal PWM [20]

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Figura 8: Señal analógica luego de aplicar un filtro RC a la señal PWM [20]

Los dispositivos que funcionan según este principio se utilizan con frecuencia en la práctica como variadores de frecuencia ajustable que controlan la velocidad, aceleración y desaceleración de los motores eléctricos.

5.2.6. Fuentes de interrupción

Una interrupción es un evento que hace que el microcontrolador deje de ejecutar la tarea que está realizando para atender un acontecimiento, para luego regresar y continuar la tarea que estaba realizando antes de que se presentara la interrupción.

La ventaja de utilizar interrupciones es que mientras se espera a que se presente el evento que produce la interrupción el microcontrolador puede estar ejecutando cualquier otra tarea. De ese modo el microcontrolador no estará procesando una sola tarea, sino que puede seguir trabajando en otras hasta que una interrupción haga que el programa salte y ejecute la tarea que se quiera y al terminarla el programa continuara su ejecución en el punto en el que se encontraba en el momento de presentarse la interrupción. (Valdés Pérez & Pallás Areny, 2007)

En este proyecto se utilizan dos fuentes de interrupción, las cuales son:

 Interrupción por desborde del timer 1 (TMR1)

 Interrupción del receptor del USART

21 5.3. Visualizador LCD

Es frecuente la necesidad de mostrar mensajes que tienen que ver con el estado de algo o el valor de un instrumento de medida electrónico. Para estos casos la utilización de una pantalla de cristal líquido LCD ofrece como ventaja con respecto a los displays de 7 segmentos, su bajo consumo de corriente y la no necesidad de multiplexar, gracias al microcontrolador integrado de referencia HD44780, además de soportar caracteres alfanuméricos en el estándar ASCII.

Esta pantalla LCD como la que se muestra en la figura 9, consta de dos líneas de visualización de 16 caracteres cada una, donde cada carácter está conformado por una matriz de caracteres de 5x7 puntos, controlada por el driver HD44100 (Valdés Pérez & Pallás Areny, 2007)

Figura 9: Componentes del módulo Cristal líquido ML016L [17]

5.4. Lenguaje de programación C

El lenguaje C dispone de todas las ventajas de un lenguaje de programación de alto nivel, y permite realizar algunas operaciones tanto sobre los bytes como sobre los bits (operaciones lógicas, desplazamiento etc.). Las características de C pueden ser muy útiles al programar los microcontroladores. Además, C está estandarizado (el estándar ANSI), es muy portable, así que el mismo código se puede utilizar muchas veces en diferentes proyectos. Lo que lo hace accesible para cualquiera que conozca este lenguaje sin reparar en el propósito de uso del microcontrolador. C es un lenguaje compilado, lo que significa que los archivos fuentes que contienen el código C se traducen a lenguaje máquina por el compilador. Todas estas características hicieron al C uno de los lenguajes de programación más populares. (Verle, 2017)

22 La figura 10 muestra el proceso de compilación y de programación de un microcontrolador a partir de un archivo con extensión.

Figura 10: Proceso de compilación de un lenguaje de alto nivel a bajo nivel [21]

5.4.1. Entorno de programación de PIC C Compiler

PIC C es una herramienta que permite programar un microcontrolador por medio de lenguaje C, a diferencia del lenguaje máquina o ensamblador (ASM) que se maneja por defecto, este hace los programas más fáciles de escribir, analizar y comprender. PIC C ha sido desarrollado por PIC CMU, y cuenta con una gran cantidad de librerías o drivers que permiten optimizar los programas en el momento de manejar dispositivos externos, tales como pantallas LCD, memorias, conversores, etc.

23 5.5. Sensores de distancia de Tiempo de vuelo (TOF)

Su funcionamiento consiste en enviar un pulso láser de luz infrarroja y medir el tiempo necesario en el haz en volver al sensor.

El integrado incorpora un emisor laser 940nm VCSEL (Vertical Cavity Surface-Emitting Laser), un detector SPAD (Single Photon Avalanche Diodes) y la electrónica interna (denominada FlightSenseTM) que realiza los cálculos necesarios.

Un sensor de tiempo de vuelto tiene una precisión superior que los sensores de ultrasonidos e infrarrojos, porque no se ve alterado por las condiciones del ambiente como los ecos o la reflactancia de los objetos. Además, es capaz de operar incluso con elevada luz ambiental infrarroja, e incorpora un sistema de compensación de la medición que le permite hacer funcionar incluso detrás de un cristal protector.

Por otro lado, el ángulo de medición es relativamente estrecho. Esto es una ventaja en la mayoría de circunstancias, donde se desea leer la distancia justo en frente del sensor. (Datasheet VL6180X, 2016)

En la figura 12 se observa la topología de un sensor de tiempo de vuelo, que se conforma de un microcontrolador que calcula la distancia mediante un emisor laser y el receptor de fotones, además de gestionar el protocolo de comunicación I2C con un microcontrolador en modo maestro.

Figura 12: topología de un sensor TOF (tiempo de vuelo) [24]

5.6. Acelerómetro

Un acelerómetro es un dispositivo que mide la vibración o la aceleración del movimiento de una estructura. La fuerza generada por la vibración o el cambio en el movimiento (aceleración) hace que la masa "comprima" el material piezoeléctrico, generando una carga eléctrica que es proporcional a la fuerza ejercida sobre él.

24 Pero los acelerómetros piezoeléctricos son quizás los dispositivos más prácticos para medir impactos y vibraciones. Similar a un sensor mecánico, este dispositivo incluye una masa que, cuando se acelera, ejerce una fuerza inercial en un cristal piezoeléctrico.

5.7. Termocupla

Las sondas de temperatura basadas en termopar determinan la temperatura midiendo la pequeña fuerza electromotriz que origina la unión de dos metales (conductores) distintos a distintas temperaturas; el llamado efecto termoeléctrico o efecto Seebeck. Son muy eficaces para trabajar con amplios rangos de temperaturas, especialmente en los tramos altos.

Las sondas de tipo K (cromel–alumel), las más usadas, entre otras razones por su relación entre precio y prestaciones, son capaces, en teoría, de medir temperaturas entre −180 °C y +1300 °C, aunque frecuentemente se utilizan para medir temperaturas, aproximadamente, entre los +50 °C y los +800 °C

A la eficacia del sistema de medida de temperatura basado en termopar, le acompaña la necesidad de resolver tres cuestiones para poder ser explotado:

 capacidad de gestionar tensiones muy bajas (del orden de µV) o amplificar la respuesta del termopar para que un microcontrolador pueda trabajar con ella

 corrección de la medida de la sonda para equipararla a una distribución lineal (linealización de la respuesta del termopar)

 compensación de unión fría para corregir la dependencia que existe entre la temperatura medida por la sonda y la temperatura ambiente.

El IC MAX31855 o el MAX6675 cumplen las condiciones para resolver de manera sencilla estos tres aspectos y además, gracias a que utiliza un protocolo de comunicación SPI, es sencillo de implementar en una aplicación basada en microcontrolador, por tener el punto de medida separado del punto donde se procesan los datos y del CUF (compensador de unión fría) (Datasheet MAX31855, 2015)

5.8. Transformador Flyback

Un transformador convencional de baja tensión se diseña para que la transferencia de energía desde el primario al secundario sea óptima. Mientras que un transformador Flyback se diseña con el propósito de guardar energía comportándose como un inductor.

Si se alimenta un transformador normal con una onda que no es pura, por ejemplo, una onda cuadrada, esta tiene armónicos; frecuencias espurias más allá de los 50Hz para las que no está diseñado, y se traduce en pérdidas y calor, y cambios bruscos de eficiencia, pero si se alimenta un transformador Flyback de esta forma, este acumularía energía en forma de campo magnético en su núcleo para inducirla y descargarla a una alta tension, como en un arco eléctrico de unos milímetros o centímetros, dependiendo de la diferencia de potencial. (Goldwasser, 2001)

25 campo magnético y luego cortar la corriente lo más rápido posible para que se induzca un campo enorme y se transfiera al secundario.

Como el campo magnético es más fuerte cuanto más rápido sea el cambio de la corriente, el resultado es que en el secundario pueden inducirse miles de voltios. Aun cuando la tensión en el primario sea pequeña, lo que importa es el cambio brusco de tensión.

El transformador flyback es de utilidad en este proyecto para generar el arco eléctrico que sea capaz de encender el combustible, a partir de un voltaje continuo y a una corriente que pueda ser suministrada por la batería a un circuito de potencia que se encargara de las oscilaciones de tensión en el primario del transformador y en el devanado de realimentación como se muestra en la figura 13.

Figura 13: Esquema eléctrico básico para hacer funcionar un transformador Flyback [27]

5.9. Aplicaciones Android

Las aplicaciones se desarrollan habitualmente en el lenguaje Java con Android Software Development Kit (Android SDK), pero están disponibles otras herramientas de desarrollo, incluyendo un Kit de Desarrollo Nativo para aplicaciones o extensiones en C o C++, Google App Inventor, un entorno visual para programadores novatos y varios marcos de aplicaciones basadas en la web multiteléfono. También es posible usar las bibliotecas Qt.

El desarrollo de aplicaciones para Android no requiere aprender lenguajes complejos de programación. Todo lo que se necesita es un conocimiento aceptable de Java y estar en posesión del kit de desarrollo de software o «SDK» provisto por Google el cual se puede descargar gratuitamente. Todas las aplicaciones están comprimidas en formato APK, que se pueden instalar sin dificultad desde cualquier explorador de archivos en la mayoría de dispositivos. (AndroidDev, 2018)

Las aplicaciones Android se caracterizan por:

 Múltiples aplicaciones, se pueden ejecutar simultáneamente.

 El usuario puede cambiar de aplicaciones cuando lo desee.

26 5.9.1. Actividades

Una Actividad dentro del ambiente de programación de Android Studio es un componente de la aplicación que contiene una pantalla con la que los usuarios pueden interactuar para realizar una acción, como marcar un número telefónico, tomar una foto, enviar un correo electrónico o ver un mapa. A cada actividad se le asigna una ventana en la que se puede dibujar su interfaz de usuario. La ventana generalmente abarca toda la pantalla, pero en ocasiones puede ser más pequeña que esta y quedar "flotando" encima de otras ventanas.

Una aplicación generalmente consiste en múltiples actividades vinculadas de forma flexible entre sí. Normalmente, una actividad en una aplicación se especifica como la actividad "principal" que se presenta al usuario cuando este inicia la aplicación por primera vez. Cada actividad puede a su vez iniciar otra actividad para poder realizar diferentes acciones. Cada vez que se inicia una actividad nueva, se detiene la actividad anterior, pero el sistema conserva la actividad en una pila. (AndroidDev, 2018)

5.9.2. Servicios

Un Servicio es un componente de una aplicación que puede realizar operaciones de larga ejecución en segundo plano y que no proporciona una interfaz de usuario. Otro componente de la aplicación puede iniciar un servicio y continuará ejecutándose en segundo plano, aunque el usuario cambie a otra aplicación. Además, un componente puede enlazarse con un servicio para interactuar con él e incluso realizar una comunicación entre procesos.

Un servicio puede ser un servicio iniciado o un servicio de enlace:

Un servicio está "iniciado" cuando un componente de aplicación (como una actividad) lo inicia llamando a startService(). Una vez iniciado, un servicio puede ejecutarse en segundo plano de manera indefinida, incluso si se destruye el componente que lo inició. Por lo general, un servicio iniciado realiza una sola operación y no devuelve un resultado al emisor. Por ejemplo, puede descargar o cargar un archivo a través de la red. Cuando la operación está terminada, el servicio debe detenerse por sí mismo.

27 5.9.3. Entorno de programación de Android Studio

Android Studio es el entorno de desarrollo integrado (IDE) oficial para el desarrollo de aplicaciones para Android y se basa en IntelliJ IDEA . Además del potente editor de códigos y las herramientas para desarrolladores de IntelliJ, Android Studio ofrece aún más funciones que aumentan tu productividad durante la compilación de apps para Android, como las siguientes: .

 Un sistema de compilación basado en Gradle flexible

 Un emulador rápido con varias funciones

 Un entorno unificado en el que puedes realizar desarrollos para todos los dispositivos Android

 Instant Run para aplicar cambios mientras la app se ejecuta sin la necesidad de compilar un nuevo APK

 Integración de plantillas de código y GitHub para ayudar a compilar funciones comunes de las apps e importar ejemplos de código

 Gran cantidad de herramientas y frameworks de prueba

 Herramientas Lint para detectar problemas de rendimiento, usabilidad, compatibilidad de versión, etc.

 Compatibilidad con C++ y NDK

 Soporte incorporado para Google Cloud Platform, lo que facilita la integración de Google Cloud Messaging y App Engine (AndroidDev, 2018)

28 5.10. Comunicación inalámbrica

5.10.1. Bluetooth

La tecnología Bluetooth revoluciona el mercado de la conectividad personal, proveyendo ínter conectividad entre cualquier tipo de dispositivo que cumpla con las especificaciones inalámbricas Bluetooth.

Además, éste es un estándar libre lo que simplifica su uso para diseñar y sacar al mercado nuevos productos innovadores que se beneficien de la conectividad inalámbrica.

A diferencia de otros estándares inalámbricos, la especificación Bluetooth incluye dos capas, la capa de enlace y la de aplicación para los desarrolladores de productos que soportan datos, voz, y aplicaciones de contenido centralizado. [11]

5.10.2. Bluetooth Low Energy(BLE)

Bluetooth Low Energy (BLE), a veces conocido como “Bluetooth Smart”, se introdujo como parte de la especificación de Bluetooth 4.0. Aunque existe cierto solapamiento con el Bluetooth clásico, BLE proviene de un proyecto inicialmente desarrollado por Nokia y conocido como ‘Wibree’ antes de que fuera adoptado por Bluetooth SIG (Special Interest Group).

29

6.

ESTADO DEL ARTE

En el mercado de las biochimeneas existen soluciones que logran el objetivo de controlar y monitorizar una biochimenea, remotamente se tiene acceso a la chimenea por medio de cualquier dispositivo sobre cualquier sistema operativo, como Android, Apple, Windows, etc. La interfaz entre el controlador y el usuario se hace por medio de un servidor TCP/IP que tiene lugar en el microcontrolador, por lo que la biochimenea debe conectarse a un punto de acceso a la red local por cable Ethernet, y a partir de este, el usuario puede conectarse desde cualquier dispositivo conectado a la red local privada, accediendo a la IP privada de la biochimenea por medio del navegador de internet e interactuar con esta, controlando el suministro de combustible de la chimenea y el encendido. Esta chimenea posee tanque de reserva de combustible y encendido de la llama, y es fabricado por la marca Planika en Europa, que tienen un costo desde los 6000 euros y varía según tamaños del quemador y del tanque de combustible. [13]

Otra solución en el mercado para biochimeneas de etanol, es por medio de un control remoto de sensor infrarrojo, este solo tiene la función de encender o apagar la chimenea por medio de un pulsador ubicado en un control remoto, adicionalmente la biochimenea posee una pequeña pantalla LCD que muestra información sobre procesos de la chimenea, como la temperatura y tanque de combustible de reserva. Este tipo de biochimenea es fabricado y vendido por distintos fabricantes, como Cleanflames en Estados Unidos, con precios desde los 1900 dólares, A-fire en Gran Bretaña con un catálogo de precios desde 3100 Euros, Con garantía de 3 años. [14]

30

7.

METODOLOGIA

7.1. FASE 1 Análisis de requerimientos

De acuerdo a los objetivos del proyecto, inicialmente se tendrán en cuenta algunos requerimientos y unas dimensiones aproximadas de la estructura del quemador, proveído por el fabricante de biochimeneas CLIMALIVE. Fabricante al cual va dirigido este sistema, los requerimientos son:

 Debe ser operable mediante una aplicación ANDROID.

 Dimensiones 400mm x 130mm x 100mm

 El tiempo de operación debe ser programable: si el usuario desea programar (x) tiempo el sistema debe informarle para cuanto tiempo le alcanza el combustible.

 Si el combustible esta por acabarse debe mostrar una advertencia

 El sistema debe detenerse si se detecta un movimiento accidental o un sismo

 El sistema debe mostrar los niveles de batería

 El sistema eléctrico debe tener un sistema de carga y alimentación directa

 El sistema debe impedir que pueda ser abastecido en operación o a una temperatura superior a los 50ºc

 La aplicación debe mostrar todas las advertencias y alertas

 El quemador debe mostrar en pantalla integrada todas las advertencias y alertas.

 Una alerta puede ser que se halla apagado por una vibración.

 Las advertencias pueden ser que esta por acabarse el combustible.

Estos requerimientos surgen de la investigación del estado del arte de este tipo de sistemas en el mercado, no es un estándar establecido por algún fabricante en específico, pero si generan una sensación de mayor seguridad y calidad al usuario final.

7.2. FASE 2: Acondicionamiento de sensores, módulos y comunicación con la aplicación Android

Debido a los objetivos, el planteamiento del problema y los requerimientos del proyecto de la fase de análisis de requerimientos, es indispensable el uso de sensores para la medición de magnitudes, que luego son interpretadas por un microcontrolador

Aunque los sensores con salida analógica son muy prácticos para poder ser cuantificados y mostrados por el microcontrolador por no requerir librerías codificadas en el programa principal, estos sensores son escasos en el mercado, como lo son los sensores de distancia y los acondicionadores de termocuplas. La medición de la carga de la batería se realiza por medio de divisores resistivos para acondicionar la señal a niveles dentro del rango de cuantificación del puerto analógico del microcontrolador.

31 recepción y envió de datos por medio del puerto de comunicación serial RS232 con otros dispositivos.

Se realiza la investigación de encontrar los sensores más adecuados para cumplir con los requerimientos del proyecto y que soporten las condiciones bajo las que se va a trabajar, además de un microcontrolador que disponga de los puertos y especificaciones suficientes para el desarrollo de este proyecto.

Para poder visualizar el tiempo, la carga de las baterías y las alertas del sistema sin depender de una conexión inalámbrica, estas se deben poder ver en un visualizador instalado en la biochimenea, debido a que existe la posibilidad de que se pierda la conexión o que el usuario decida no usar la aplicación y encender la biochimenea por medio del pulsador ubicado en la biochimenea.

El módulo de comunicación inalámbrico que se encargue de establecer un enlace entre el dispositivo Android y el microcontrolador debe ser de bajo consumo eléctrico en sus estados de descubrimiento y de conexión para no comprometer la autonomía de la biochimenea, no es necesario que tenga un radio de cobertura amplia porque la interacción entre un usuario y la biochimenea se da en algunos metros de distancia para que esta provea calor en la habitación en donde se encuentra el usuario o en la propia vivienda donde se encuentra.

Se adquieren los sensores, microcontrolador, módulo de comunicación, el visualizador LCD, se monta físicamente el circuito en una protoboard y se codifica un programa sencillo para programar el microcontrolador de manera que pueda enviar y recibir datos del dispositivo Android por medio del módulo de comunicación inalámbrico.

Se realizan lecturas de los sensores para comprobar su funcionamiento, cada uno por uno por separado con el microcontrolador para comprobar su caracterización mostrada en la hoja de datos del fabricante y que pueda cumplir con los requerimientos del proyecto.

Se programa una aplicación Android sencilla, para conectarse al módulo de comunicación y para que reciba y envié datos al microcontrolador por medio de este módulo, como por ejemplo de los sensores, esto con el fin de comprobar el buen funcionamiento de la comunicación entre el dispositivo Android y microcontrolador.

32 7.3. FASE 3: Diseño electrónico y de la aplicación Android

Luego de tener configurados los sensores, y codificar el programa del microcontrolador, se procede a codificar el programa para cumplir los objetivos y requerimientos del proyecto, de manera que reciba datos del buffer por el puerto UART, leer las señales de los sensores, se codifican condicionales en el programa del microcontrolador con estos datos, habilitar o no salidas digitales y enviara datos de los sensores al dispositivo Android por medio del módulo bluetooth y al visualizador LCD.

En el diseño electrónico ahora se introducen los actuadores que influye directamente en la combustión del etanol, que son operados por las salidas digitales del microcontrolador, que son la bomba de combustible, para mover el combustible de un lugar a otro y el generador de alto voltaje para crear el arco eléctrico que encenderá la llama , además se introducen los módulos que se encargan de mantener los diferentes voltajes en el circuito, en esta fase del proyecto ya se tienen caracterizados los sensores sobre el programa del microcontrolador, también los parámetros de comunicación del microcontrolador con el módulo de comunicación ya elegido, asi como los pines y configuraciones vía código que facilitan la función de los protocolos de comunicación con los sensores y visualizador LCD.

La aplicación Android se desarrolla sobre el ambiente de programación de Android Studio, esta aplicación se instala sobre el dispositivo Android ASUS ZS570KL con sistema operativo Android Versión 8.0. Contiene una actividad para crear una conexión con un dispositivo cercano, una segunda actividad que muestra los datos de los sensores en forma gráfica, opciones para determinar el tiempo de quemado, según el combustible disponible, una tercera actividad donde muestra el tiempo restante que fue elegido por el usuario y otras opciones que el usuario puede manejar para controlar el tiempo de quemado.

7.3.1. Bomba de combustible

Se debe mover el combustible del tanque de combustible, ubicado en la parte inferior de la estructura, hacia el quemador que se encuentra en la parte superior de la biochimenea, normalmente se requiere una bomba de combustible especial que no sea de plástico, pero estas bombas especiales para bombear un combustible como el etanol son de aplicación industrial para mover grandes caudales de este líquido, por lo que no es posible agregar una bomba de este tipo al proyecto.

33 7.3.2. Generador de alto voltaje

Para encender un combustible como el etanol se requieren de dos elementos además de este, oxígeno y una ignición incandescente. Este último se puede lograr por medio de un encendedor de cigarrillos, un fosforo u otra llama encendida, en estos tres eventos se requiere de la intervención directa del usuario, por lo que, para lograrlo de manera remota sin intervención manual, se debe hacer mediante la generación de un arco eléctrico incandescente.

Para crear un arco eléctrico hace falta una tensión del orden de varios kilovoltios entre dos terminales separadas por un medio gaseoso, para lograrlo se debe tomar una tensión de entre 5v a 8v continuos que provienen de la batería, generar una oscilación en forma de onda cuadrada entre el transistor de potencia y el devanado de realimentación, del transformador Flyback para generar una tensión sinusoidal en el secundario, de esa manera, las dos terminales necesitan estar solo a unos cuantos milímetros de distancia para crear un arco eléctrico, que es suficiente para encender el etanol.

Ya se fabrican este tipo de transformadores flyback solo hace falta completar el circuito con un transistor de potencia, un diodo de conmutación rápida y una resistencia para limitar la ganancia en el lazo de realimentación. La batería debe tener la capacidad de suministrar una corriente de entre 1 a 3 amperes, dependiendo de la distancia a la que se encuentren las terminales, a mayor distancia, mayor corriente va a necesitar el devanado secundario para crear el arco eléctrico.

7.3.3. Fuente de poder y reguladores de tension

Normalmente una biochimenea a base de combustible de etanol operada manualmente tiene la versatilidad de poder ser trasportada de un sitio a otro sin tener que preocuparse de tener cerca un suministro de combustible ni eléctrico, por lo que se desea que una biochimenea operada electrónicamente conserve esa misma versatilidad, y la única forma de lograrlo es incluyendo baterías lo suficientemente durables, que necesiten ser recargadas luego de varias recargas de combustible después.

La estructura de la biochimenea posee compartimientos para las baterías y el circuito eléctrico pero las baterías no pueden ser voluminosas porque tienden a acumular calor y ademas se debe aprovechar el espacio para acomodar el cableado de manera que haya un buen flujo de aire en el área donde se encuentre el circuito eléctrico, y que se disipe el aire caliente que se pueda acumular.

7.3.4. Diseño del programa del microcontrolador

El programa se diseñó de manera que se ejecutaron pruebas, simulando las condiciones físicas que tendrá a lugar el circuito en la biochimenea, tanto físicamente en el montaje de protoboard como en el simulador.

34 Con ayuda del programador Pickit2 de microchip, se programó el microcontrolador cada vez que se hicieron pruebas tanto en la protoboard como en el circuito impreso

La aplicación Android se codifico en el programa Android Studio en sus diferentes versiones, en el que es posible codificar, compilar y depurar la aplicación por medio de la depuración USB del dispositivo Android.

7.4. FASE 3: Autonomía

El sistema contara con baterías recargables, se disponen de manera que pueda ser cargada y al mismo tiempo pueda poner en funcionamiento la biochimenea. Al tener una cantidad de combustible máxima, determinada por el tamaño del encapsulado y el tanque de combustible, se debe garantizar que la carga de la batería sea suficiente para varias cargas completas de combustible, dándole una autonomía que depende de la capacidad de las baterías, y de la corriente que consuma el circuito, utilizando un microcontrolador de bajo consumo de energía, al igual que los sensores, los actuadores, y un módulo de comunicación que maneje un protocolo de comunicación de bajo consumo eléctrico.

7.5. FASE 4: Elaboración del Prototipo

En cuanto a la estructura del encapsulado, el fabricante de biochimeneas se encarga de la fabricación de acuerdo a las especificación y dimensiones ya establecidas de acuerdo al tamaño de los componentes eléctricos y electrónicos en su conjunto. El material de este encapsulado será en acero inoxidable al igual que el quemador, de preferencia por su rigidez estructural, estética y resistencia térmica. Todos los componentes estarán ubicados en una sola placa de circuitos y los actuadores como la bomba de combustible y el generador de arco eléctrico en diferentes ubicaciones dentro de la biochimenea.

Se tendrá en cuenta las dimensiones de cada elemento como la batería y el circuito electrónico para hacer un modelo 3D en el programa de diseño Autodesk Inventor. Para su posterior elaboración y ensamble.

7.6. FASE 5: Comprobación y Validación

Se requiere hacer pruebas del sistema en conjunto para la validación del sistema. Estableciendo umbrales en la medición de los sensores para el control automático del sistema, o el ajuste de los actuadores como el generador de arco eléctrico o la bomba de combustible como por ejemplo la velocidad de giro del motor que influirá directamente en el consumo de combustible.

Se pondrán a prueba diferentes eventos del sistema, como vibración espontaneas, excesos de temperatura, alarmas de advertencia, pruebas en largos periodos de funcionamiento, de fiabilidad y seguridad de todo el sistema en su conjunto.

35 7.7. Diagrama de bloques

En el siguiente diagrama de bloques en la figura 15. Describe de manera general la estructura del sistema.

Figura 15: Diagrama de bloques, estructura del sistema

 Encapsulado chimenea: Estructura en acero inoxidable, que contiene el quemador, el tanque de combustible, los actuadores, sensores, el control electrónico, el circuito eléctrico y la batería

 Quemador: compartimiento donde ocurre la combustión de etanol, donde también se encuentra el generador de arco eléctrico.

 Tanque de combustible: compartimiento donde se almacena el combustible, y en donde se encuentra la bomba de combustible, que bombeara el etanol del tanque hacia el quemador, y donde también se encuentra el sensor de nivel de combustible.

 Actuadores: Bomba de combustible y generador de arco eléctrico.

 Sensores: Sensores de temperatura, distancia y acelerómetro.

 Control Electrónico: Microcontrolador y transistores, etc.

 Circuito Eléctrico: Conversores DC-DC ENCAPSULADO, BIOCHIMENEA QUEMADOR

TANQUE DE COMBUSTIBLE

DISPOSITIVO MOVIL ANDROID

SENSORES ACTUADORES

CONTROL ELECTONICO

COMUNICACIÓN INALAMBRICA

CIRCUITO ELECTRICO

BATERIAS

36

 Baterías: Fuente de energía recargable, que provee energía a todos los circuitos del sistema

 Comunicación inalámbrica: interfaz de comunicación entre el control electrónico y un dispositivo móvil Android

 Dispositivo móvil Android: Ya sea Tablet o Smartphone Android

37

8.

ANALISIS Y DESARROLLO

Siguiendo la metodología para resolver el problema que se plantea, y los requerimientos que exige el fabricante, se investiga que sensores son los más adecuados para cumplir con los requerimientos y lograr los objetivos para resolver el problema que se plantea.

Como proyección a futuro del proyecto, para ser considerado el diseño a una producción en serie, se requieren que los componentes electrónicos sean de fácil obtención tanto en el mercado nacional como internacional y a un precio económico.

Antes de elegir los sensores para el diseño electrónico, se realizó el trabajo de investigación sobre el microcontrolador, es decir el primer elemento que se elige en el diseño es el microcontrolador, las razones para elegirlo fueron descritas en la metodología, se plantearon preguntas como: ¿Cuántas formas existen para comunicar un sensor con un microcontrolador?, ¿es posible usar los dos protocolos de comunicación I2C y SPI del microcontrolador al tiempo? Para la primera pregunta, se recurre a la documentación de los microcontroladores de mejores características que se pueden obtener en el mercado nacional, como por ejemplo los microcontroladores de Microchip, PIC16F877A, PIC18F4550 o el PIC 18F2550, en los que se encontró que es posible establecer una interfaz de comunicación con los protocolos I2C o SPI. (PIC18F2455/2550/4455/4550 Datasheet, 2009)

Sin embargo, se encontró que estos microcontroladores gestionan la comunicación I2C o SPI por medio un solo módulo MSSP, lo que significa que solo se puede utilizar uno de estos dos protocolos sobre el mismo puerto MSSP, este es debido a que ambos protocolos comparten las mismas salidas y registros en el módulo MSSP, por lo que no es posible utilizar ninguno de los microcontroladores que en el mercado nacional se ofrece. (PIC18F2455/2550/4455/4550 Datasheet, 2009)

Se recurre entonces al buscador de microcontroladores de microchip, con el cual se configura una búsqueda para encontrar un microcontrolador que posea dos módulos MSSP, además, que tenga un bajo consumo de energía y que cumpla con los requerimientos del proyecto. Así entonces la familia de microcontroladores de Microchip que mejor se ajusta a los requerimientos del proyecto, es de referencia PIC18F47J13, específicamente el microcontrolador PIC18F26J13. (Datasheet PIC18F47J13 FAMILY, 2017)

La oferta en el mercado de los sensores que se utilizan para este proyecto, existen sensores que tienen como medición de una magnitud medida, una señal analógica, comunicación I2C o SPI, que, como dato particular, las termocuplas que se ofertan en el mercado solo manejan el protocolo de comunicación SPI.

38 sensores de ultrasonido, aunque la desventaja del sensor IR es que se ven afectados por la reflectancia del objeto a medir. Por último los sensores de tiempo de vuelo no se ven afectado por ninguna de los problemas antes mencionados. (Leibson, 2018)

En la oferta de acelerómetros en el mercado, hay un mayor rango posibilidades, se encuentran los que manejan ambos protocolos de comunicación I2C, SPI, y los analógicos.

Gracias a que se dispone de un microcontrolador en el que se pueden configurar los dos protocolos I2C y SPI para que funcionen al mismo tiempo, se pueden utilizar sensores que manejen cualquiera de estos dos protocolos, descartando así los sensores analógicos.

Ya elegidos los sensores, el siguiente paso es codificar un programa sencillo para el microcontrolador para recibir las señales de los sensores y acondicionarlos en caso de ser necesario, al mismo tiempo se muestran los datos de los sensores en el visualizador LCD. Además de una aplicación sencilla para instalar en el dispositivo Android para poder conectarse, enviar y recibir datos por el modulo bluetooth de esté al módulo bluetooth que se comunicara con el microcontrolador.

A Continuación, se describe como fue implementado y diseñado cada elemento del sistema, y como fueron integrados para funcionar en conjunto.

8.1. Sensor de distancia

El sensor de distancia resulta útil para medir la distancia entre este y un objeto en frente, que no solo funciona con objetos solidos si no también con líquidos, como en este proyecto, que es el etanol. Se elige un sensor de distancia con tecnología Time-of-Flight del fabricante ST, dicha tecnología es la que determina la distancia a la que se encuentra el objeto basándose en la diferencia de tiempo entre que el fotón salió del láser emisor(VCSEL) y el sensor SPAD lo recibió, Dentro de la gama de sensores que comparten la tecnología de ST, existe el sensor de referencia VL6180x, especial en sus características debido a que el fabricante asegura una medición con muy bajo margen de error independiente de la reflectancia del objeto y de la cantidad de iluminación ambiental en el rango de 0 a 10cm, que es exactamente la medida que tiene de fondo el tanque de combustible de la biochimenea. (Leibson, 2018)

En la tabla 1 se muestra los sensores que se consideraron para ser utilizados para sensar el nivel de líquido en el interior del tanque de combustible.

HC-SR4(US) GP2Y0A41SK0F(IR) VL6180x(TOF)

Rango de medicion 2cm a 400cm 4cm a 30cm 0.5cm a 20cm Afectado por

densidad del medio

SI NO NO

Reflactancia del objeto

NO SI NO

Comunicación Ecos Analógico I2C

Icc 15mA 33mA 5mA

39 Debido a que el interior del tanque de combustible se encuentra completamente oscuro, el fabricante especifica que para un rango de medición cada vez mayor, por encima de los 10cm la ausencia de iluminación puede afectar la medición y también la falta de reflectancia del objeto a medir puede afectar la medición, pero para la aplicación de este proyecto, los problemas de iluminación y de reflectancia del flotador no son relevantes. (Datasheet VL6180X, 2016)

Para tomar los datos de distancia del sensor se debe usar una librería la cual inicializa el sensor con la configuración de unos registros para calibrar el sensor y este pueda funcionar de manera correcta, calibración que está indicada en la hoja de datos del fabricante. El programa que se utiliza para codificar en lenguaje C ya incluye esta librería, solo hace falta incluirla en el programa principal, inicializar la librería y llamar el método para mostrar los datos de distancia expresada en milímetros.

El fondo del tanque mide 100mm, y cuando se tiene esta lectura en el sensor quiere decir que el tanque está completamente vacío, por otro lado, si se tiene una lectura de 0mm quiere decir que el tanque está completamente lleno, considerando esto, si se desea expresar la cantidad de combustible restante dentro del tanque en una medida porcentual, solo hace falta hacer una conversión inversamente proporcional a lectura del sensor, de la siguiente forma en la ecuación (1)

𝑁𝑖𝑣𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒% = 100 − 𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑆𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 (1)

8.2. Baterías de Litio

Dentro de los diferentes tipos de baterías, existen varias de ellas que cumplirían con los requerimientos del sistema, como por ejemplo las baterías de plomo, siendo bastante durables, resistentes a la temperatura y económicas; sin embargo son bastante voluminosas y pesadas como para incluirlas en una estructura donde el espacio y el flujo de aire son muy importantes, es por esto que se requieren unas baterías que ocupen poco espacio y lo suficientemente durables como para dar una larga autonomía a la biochimenea sin recargar las baterías. (RSC Power Technology, 2003)

Se eligió usar dos baterías con el objetivo de tener una mayor autonomía y durabilidad de la batería principal, separando el circuito electrónico que demanda menos corriente del circuito eléctrico que demanda mayor corriente. La batería principal suministrar corriente a los sensores, microcontrolador, el módulo de comunicación bluetooth, transistores, bomba de combustible y demás elementos electrónicos que demanden un corriente baja, por debajo de los 100mA, y una batería secundaria que da alimentación al circuito generador del arco eléctrico y del ventilador que disipada el aire caliente que se acumule en el área de la placa de circuitos.

Se elige una batería principal de litio de especificación 18650 de 3.7v a 3400mAH de la marca Panasonic, que comercialmente, para esta especificación dimensional (18650) es la batería de mayor capacidad que se pueda fabricar. (Sanyo energy, 2012)