UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
DISEÑO, CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DE UN
DISPOSITIVO INALÁMBRICO VÍA BLUETOOTH DE BLOQUEO
DE ENCENDIDO PARA VEHÍCULO.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
DIEGO MAURICIO NUÑEZ ALCOCER
DIRECTOR: ING. ALEXANDER PERALVO
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 171861842-2
APELLIDOS Y NOMBRES: NUÑEZ ALCOCER DIEGO MAURICIO
DIRECCIÓN: CELICA S7-197 Y MIGUEL DE TRUJILLO
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 023130-622
TELÉFONO MOVIL: 0992529396
DATOS DE LA OBRA
TíTULO:
Diseño, construcción e implementación de un dispositivo inalámbrico vía Bluetooth de
bloqueo de encendido para vehículo.
AUTOR O AUTORES: NUÑEZ ALCOCER DIEGO MAURICIO
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 19 de mayo 2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: Ing. Alexander Peralvo
PROGRAMA: PREGRADO POSGRADO
TíTULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras
El presente proyecto se llevó a cabo
mediante un diseño, desarrollo e
implementación de un sistema inalámbrico de
seguridad pasiva y de seguridad antirrobo
aplicable en vehículos y motocicletas. Ante la
falta de conocimiento sobre seguridad vial y
planes de prevención inexistentes sobre el
uso obligatorio de casco se crea este sistema
con la finalidad de preservar la vida del
ocupante de una motocicleta en accidentes
mortales por falta de equipos de seguridad,
además debido a su configuración el sistema
funciona también como sistema antirrobo. El
sistema cuenta con dos módulos
inalámbricos integrados en el vehículo y en el
casco del conductor respectivamente, estos
módulos se comunican inalámbricamente vía
bluetooth. El módulo instalado en la
motocicleta, o también denominado módulo
esclavo, recibe la información proporcionada
por el módulo del casco, o conocido también
como módulo maestro, el cual posee un
sensor de presencia capaz de detectar si el
casco está siendo usado o no por el
conductor, si la respuesta del sensor es
positiva el módulo esclavo activara un relé
permitiendo el paso de corriente a una línea
de alimentación principal del sistema, de ser
negativa la respuesta del sensor el relé no se
activará y no habrá paso de corriente lo que
deja a la motocicleta o vehículo inoperante.
En caso de pérdida, daño o extravió del casco
con el módulo maestro integrado, el sistema
permite activar el relé manualmente con un
código determinado que se debe colocar en
el módulo esclavo mediante pulsadores. La
idea a largo plazo del sistema es mejorarlo
con la adición e intercomunicación de otros
sensores, así como también masificar su
producción e instalación tanto en
motocicletas como en vehículos de todo tipo,
de igual manera a futuro se puede certificar el
producto bajo normas, reglamentos técnicos
nacionales INEN o bajo normas
internacionales (Estados Unidos y Europa).
PALABRAS CLAVES: Seguridad pasiva, antirrobo, bluetooth, módulo inalámbrico, maestro, esclavo
ABSTRACT:
The current project has been proper done
through a design, development and
implementation of a wireless system based
applicable both vehicles and motorcycles.
Because of the lack in road safety education
and inexistent prevention plans about
obligatory to wear of helmets, the system has
been created with the goal to preserve the life
of the motorcycle user into fatal accidents by
not wearing proper security equipment, and
by its settings works as well as an antitheft
system.
The system has two integrated wireless
modules one into the vehicle and another in
the helmet, the modules are constantly
communicating by Bluetooth, the module
integrated in the motorcycle called slave
module receive information from the other
module in the helmet called master module
which has a presence sensor able to detect
whether the helmet is being worn or not by the
user. If the sensor detects a positive answer,
the slave module activates relay which allows
the pass of current to the main supply system.
Whether the sensor detects a negative
answer, the relay won't activate giving as a
result not current pass which in consequence
left the motorcycle or vehicle inactive. In case
of lost, damaged or robbed of the helmet with
the integrated master module the system
allows to activate the relay manually with
predetermined code which has to be put in the
slave module by pushbuttons. The long term
idea of the system is to improve the sensors
with new additions and intercommunicating
tech that make the system more reliable
besides the massive production and
installations in both vehicle and motorcycles
of every type, similarly to future product can
technical regulations INEN or under
international standards (USA and Europe).
KEYWORDS passive safety, anti-theft device, Bluetooth, wireless module, master, slave
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
_________________________________________ NUÑEZ ALCOCER DIEGO MAURICIO
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, NUÑEZ ALCOCER DIEGO MAURICIO, CI 1718618422 autor del proyecto titulado: Diseño, construcción e implementación de un dispositivo inalámbrico vía Bluetooth de bloqueo de encendido para vehículo, previo a la obtención del título de Ingeniero Automotriz en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 27 de junio de 2016
________________________________________ NUÑEZ ALCOCER DIEGO MAURICIO
DECLARACIÓN
Yo DIEGO MAURICIO NUÑEZ ALCOCER, declaró que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ Diego Núñez A.
CERTIFICACIÓN
Certificó que el presente trabajo que lleva por título “Diseño, construcción e
implementación de un dispositivo inalámbrico vía Bluetooth de bloqueo de encendido para vehículo.”, que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Diego Núñez Alcocer, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19, 27 y 28.
_______________________ Ing. Alexander Peralvo
DIRECTOR DELTRABAJO
DEDICATORIA
AGRADECIMIENTO
A mis amigos Walter y Diego por su ayuda y colaboración con sus
conocimientos y recomendaciones para la elaboración de este
proyecto y de muchos que vendrán a futuro.
A mi tío Xavier por el apoyo y por las ideas brindadas.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... ix
ABSTRACT ... xi
1.- INTRODUCCIÓN ... 1
2.- MARCO TEÓRICO ... 4
2.1. CLASIFICACIÓN DE VEHíCULOS Y MOTOCICLETAS ... 4
2.1.1 CLASIFICACIÓN DE VEHÍCULOS DE CARRETERA O TERRESTRES POR TIPO DE CARROCERÍA: ... 4
2.1.1.1 Vehículo motorizado ... 4
2.1.1.2 Vehículo de motor ... 4
2.1.2 CLASIFICACIÓN DE VEHÍCULOS UNECE ... 6
2.1.2.1 Clase L ... 7
2.1.2.2 Clase M ... 7
2.1.2.3 Clase N ... 8
2.2. SISTEMAS DE FORMACIÓN DE LA MEZCLA... 8
2.2.1 CARBURADORES ... 9
2.2.1.1 Sistema con carburador ... 9
2.2.1.2 Estructura y principio de trabajo ... 9
2.2.1.3 Sistemas de dosificación de combustible ... 10
2.2.1.4 Tipos de carburadores ... 10
2.3. ENCENDIDO ... 12
2.3.1 FUNDAMENTOS ... 12
2.3.2 LA CHISPA DE ENCENDIDO ... 12
2.3.3 INFLAMACIÓN DE LA MEZCLA Y ENERGÍA DE IGNICIÓN ... 13
ii
2.3.5 SISTEMAS DE ENCENDIDO ... 15
2.3.5.1 Encendido por bobina ... 15
2.4 SISTEMA ELECTRÓNICO ... 19
2.4.1 DEFINICIÓN DE SISTEMA ELECTRÓNICO... 19
2.4.2 MICROCONTROLADOR ... 20
2.4.2.1 Unidad Central de Proceso (CPU) ... 20
2.4.2.2 Diferentes tipos de memorias ... 20
2.4.2.3 Diferentes patillas de Entrada / Salida (Pines) ... 21
2.4.3 ORIGEN DE ARDUINO ... 21
2.4.4 QUE ES ARDUINO ... 22
2.4.5 ARDUINO COMO SOFTWARE LIBRE ... 23
2.4.6 ARDUINO COMO HARDWARE LIBRE ... 24
2.4.7 EL MICROCONTROLADOR ATMEGA328P ... 25
2.4.8 ARDUINO NANO ... 26
2.4.8.1 Las entradas y salidas digitales del Arduino Nano ... 26
2.4.8.2 Las entradas analógicas del Arduino Nano ... 27
2.4.8.3 Las salidas analógicas (PWM) del Arduino Nano ... 27
2.4.8.4 Otros pines ... 29
2.5. SISTEMA DE COMUNICACIONES Y CONTROLADORES ... 30
2.5.1 PRINCIPIOS BÁSICOS PARA LA TRANSMISIÓN DE DATOS ... 31
2.5.2 COMUNICACIÓN SERIAL... 32
2.5.2.1 Introducción ... 32
2.5.2.2 Principio de funcionamiento ... 33
2.5.3 BLUETOOTH ... 33
2.5.3.1 Reseña histórica ... 33
2.5.3.2 Definición y Especificaciones técnicas desarrolladas ... 33
2.5.3.3 Configuración ... 35
3.- METODOLOGÍA... 36
iii
4.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MODULO ELECTRÓNICO ... 38
4.1.1 PLACA ARDUINO NANO ... 38
4.1.1.1 Señales y su procesamiento ... 38
4.1.1.2 Diagrama de bloques e/s ... 38
4.1.2 SELECCIÓN DE COMPONENTES ELECTRÓNICOS ... 39
4.1.3 DISEÑO DEL DIAGRAMA ELECTRÓNICO ... 42
4.1.4 PROGRAMACIÓN DEL MICROCONTROLADOR ... 43
4.1.6 SELECCIÓN DE LÍNEAS DEL SISTEMA DE ENCENDIDO A SER BLOQUEADAS ... 45
4.1.7 MEDICIÓN DEL AMPERAJE DEL LA LÍNEA DE ALIMENTACIÓN ... 46
4.2 ARMADO DEL CIRCUITO ... 51
4.2.1 ARMADO EN PROTOBOARD ... 51
4.2.2 PLACAS ELECTRÓNICAS ... 53
4.2.2.1 Placa electrónica maestro ... 54
4.2.2.2 Placa electrónica esclavo ... 55
4.3 INSTALACIÓN DE LOS MÓDULOS ... 55
4.4 PRUEBAS DEL SISTEMA ... 59
4.4.1 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO EN PROTOBOARD ... 59
4.4.2 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO PLACAS ... 60
4.4.3 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO REAL DEL SISTEMA ... 61
4.4.4 RESUMEN DE RESULTADOS ... 64
5.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 66
5.1 CONCLUSIONES ... 66
5.2 RECOMENDACIONES ... 68
NOMENCLATURA O GLOSARIO ... 69
iv
v
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA Tabla 1. Lista de materiales – Módulo esclavo ... 40 Tabla 2. Lista de materiales – Módulo maestro ... 41 Tabla 3. Mediciones de amperaje y voltaje de la línea de
alimentación en varias condiciones. ... 50
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Esquema de una instalación de carburador. ... 10
Figura 2. Esquema de un carburador de registro. ... 11
Figura 3. Evolución de la tensión con el tiempo en la bujía con una mezcla en reposo o escaso movimiento. ... 13
Figura 4. Evolución de la presión en la cámara de combustión con diferentes puntos de encendido. ... 14
Figura 5. Estructura de un circuito de encendido con bobinas de chispa individual. ... 16
Figura 6. Sistema de encendido con bobinas de chispa individual. ... 18
Figura 7. Circuito de encendido motocicleta Pulsar 200 NS. ... 18
Figura 8. Proceso de un sistema electrónico ... 19
Figura 9. Disposición de pines microcontrolador ATmega328P ... 25
Figura 10. Señal cuadrada formada por pulsos de frecuencia constante. ... 28
Figura 11. Señal cuadrada con pulsos cortos y menor tensión. ... 28
Figura 12. Señal cuadrada con pulsos largos y mayor tensión. ... 28
Figura 13. Relación de los pines del microcontrolador ATmega328P y de los pines del Arduino Nano. ... 30
Figura 14. Rango de frecuencia de Bluetooth y WiFi. ... 34
Figura 15. Diagrama de bloques E/S para corte de alimentación del sistema de encendido. ... 39
Figura 16. Simulación de circuito electrónico para modulo esclavo. ... 42
Figura 17. Simulación de circuito electrónico para modulo maestro. ... 42
Figura 18. Diagrama de flujo general del sistema. ... 43
Figura 19. Diagrama de flujo módulo maestro. ... 44
Figura 20. Diagrama de flujo módulo esclavo. ... 44
Figura 21. Diagrama del circuito de encendido motocicleta Pulsar 200 NS con módulo electrónico esclavo. ... 45
vii
Figura 23. Diagrama de conexión de multímetro para medir
amperaje de la línea de alimentación. ... 47
Figura 24. Medición de amperaje y voltaje condición KOEO. ... 47
Figura 25. Medición de amperaje y voltaje condición KOER ralentí. ... 48
Figura 26. Medición de amperaje y voltaje condición KOER a 2500 rpm. ... 48
Figura 27. Medición de amperaje y voltaje condición KOER a 5000 rpm. ... 49
Figura 28. Medición de amperaje y voltaje condición KOER a 8000 rpm. ... 49
Figura 29. Medición de amperaje y voltaje condición KOER a 9500 rpm. ... 50
Figura 30. Gráfica de Amperaje vs. Condiciones del motor. ... 51
Figura 31. Armado y simulación real de circuitos en protoboard. ... 52
Figura 32. Interconexión inalámbrica entre módulos Bluetooth HC-05. ... 52
Figura 33. Conexión en protoboard módulo esclavo, leds de confirmación y pulsadores. ... 53
Figura 34. Conexión en protoboard módulo esclavo y módulo maestro. ... 53
Figura 35. Placas electrónicas módulo esclavo y módulo maestro. ... 54
Figura 36. Placa electrónica física del modúlo maestro (casco). ... 54
Figura 37. Placa electrónica física del modúlo esclavo (motocicleta). ... 55
Figura 38. Preparación de la placa electrónica del módulo maestro. ... 56
Figura 39. Desarme de la parte posterior de la motocicleta. ... 56
Figura 40. Conexión a tierra. ... 57
Figura 41. Corte de cable de alimentación del switch de encendido. ... 57
Figura 42. Módulo esclavo conectado. ... 58
Figura 43. Instalación de módulo maestro en el casco del usuario. ... 58
Figura 44. Módulos maestro y esclavo instalados y conectados. ... 59
Figura 45. Conexión de módulos instalados en el protoboard a computador para pruebas de funcionamiento real. ... 60
Figura 46. Prueba de conexión y desconexión de comunicación bluetooth entre módulos. ... 60
Figura 47. Conexión de placa electrónica en motocicleta para realizar pruebas. ... 61
viii
Figura 49. Usuario utilizando el casco con dispositivo detector de
presencia. ... 62
Figura 50. Sistema encendido detectando la presencia del usuario. ... 62
Figura 51. Sistema permite arranque de motocicleta. ... 63
Figura 52. Rango de detección del sistema. ... 63
Figura 53. Sensor de presencia sin detectar. ... 64
ix
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA ANEXO 1. Código de programación módulos ... 73
x
RESUMEN
xi
ABSTRACT
The current project has been proper done through a design, development and implementation of a wireless system based on passive and antitheft security that is applied at two-wheels vehicle. Because of the lack in road safety education and inexistent prevention plans about obligatory to wear of helmets, the system has been created with the goal to preserve the life of the motorcycle user into fatal accidents by not wearing proper security equipment, and by its settings works as well as an antitheft system.
1
1. INTRODUCCIÓN
Actualmente en el Ecuador el robo de vehículos automotores y motocicletas es un problema preocupante y los índices demuestran un aumento de casos cada vez más grande, es por este motivo que este delito es considerado entre los diez de mayor frecuencia que genera conmoción en la sociedad.
Según reportes de la Policía Nacional del Ecuador se realizan controles preventivos anti delictivos que consisten en operativos en las vías y carreteras de varias ciudades. El operativo consiste en pedir a los conductores los documentos del vehículo y también de conductor. De esta manera se investiga si la moto es robada o fue usada en algún ilícito. Así también según datos de la Fiscalía General del Estado, el 93% de los casos de motocicletas robadas en el año 2014 se dieron cuando el vehículo estaba en movimiento y solo el 7% fue cuando el vehículo se encontraba
estacionado o detenido.
La gran mayoría de motocicletas que circulan por el país no poseen ningún sistema de seguridad contra robo, como por ejemplo un sistema inmovilizador o un sistema de bloqueo de encendido, de esta manera se facilita en gran medida el robo de este tipo de vehículos.
Se puede observar que en el mercado ecuatoriano existe una escasa y casi nula oferta de dispositivos de bloqueo o sistemas inmovilizadores para motocicletas de bajo cilindraje y que no poseen un sistema de inyección electrónica de gasolina, que a su vez son la gran mayoría de motocicletas que circulan en el país.
2 siempre se puede acceder a los códigos originales que permiten la modificación del sistema.
Para el sistema inmovilizador la llave del usuario es un elemento importante, ya que no es como las llaves tradicionales. Además de la clave mecánica que posee y permite girar el switch de encendido, contiene en su interior un componente que emite una señal electrónica codificada. Este componente se llama transponder. La señal es captada por una antena que se encuentra ubicada alrededor del switch de encendido en forma de anillo, que en realidad es una bobina. Esta antena envía la señal codificada emitida por la llave a un módulo anti arranque o módulo inmovilizador.
El modulo inmovilizador puede ser exterior o estar incorporado dentro del módulo de control de motor (ECU) o del módulo de carrocería (BCM). Para el caso de vehículos o motocicletas con módulos exteriores, si la señal enviada por la llave (transponder) coincide con la que se encuentra en el módulo inmovilizador (ICM), se envía otra señal a la ECU habilitando la puesta en marcha normal del vehículo, por lo general se corta la energía del relé de la bomba de gasolina, aunque en algunos casos se desactiva la energía de las bobinas de encendido evitando que se genera la chispa por parte de las bujías.
Generalmente un testigo luminoso en el tablero de instrumentos da el estatus de esta situación para poder avisar previamente al usuario del estado del sistema, ya que si un usuario desconoce del sistema e intenta encender el vehículo con una llave que no posee transponder el sistema puede bloquearse por varias horas.
Una vez que este sistema sufre una falla o avería sus costos de reparación suelen ser elevados debido principalmente a que los repuestos y componentes son escasos en el mercado ecuatoriano y no es para nada recomendable usar repuestos genéricos o alternos.
3 de ser inalámbricos, es decir deben funcionar de forma remota sin ningún tipo de cable o conexión.
Formando parte de esta evolución tecnológica, el presente proyecto de tesis desea diseñar, construir e implementar una nueva, innovadora y económica solución de comunicación inalámbrica en sistemas de bloqueo o mejor conocidos como sistemas inmovilizadores, distinta a las soluciones existentes actualmente en el país, este nuevo sistema que se pretende desarrollar tendrá la cualidad de ser multiplataforma, es decir será capaz de funcionar para vehículos y motocicletas sin importar el sistema de encendido que tengan, para lo lograr este objetivo se apoya en lo siguiente:
4
2. MARCO TEÓRICO
2.1. CLASIFICACIÓN DE VEHICULOS Y MOTOCICLETAS
Existen varias formas en las que se puede clasificar los diferentes tipos de motocicletas y vehículos que existen en el mundo. Para el presente proyecto se va tomar en cuenta las siguientes clasificaciones:
2.1.1 CLASIFICACIÓN DE VEHÍCULOS DE CARRETERA O TERRESTRES POR TIPO DE CARROCERÍA:
2.1.1.1 Vehículo motorizado
Vehículo de accionamiento mecánico para circular en vías públicas. - Motocicleta
Vehículo de dos ruedas con componentes fijos en la zona de las rodillas del conductor.
- Ciclomotor
Vehículo de dos ruedas sin componentes fijos en la zona de las rodillas del conductor.
- Ciclomotor con motor auxiliar
Vehículo de dos ruedas con características de bicicleta.
2.1.1.2 Vehículo de motor
Vehículo motorizado de cuatro o más ruedas. - Turismo
Vehículo motorizado de para transporte de nueve personas como máximo. - Berlina
5 Vehículo motorizado con capota practicable, marco fijo en paneles laterales.
- Berlina pulman
Vehículo motorizado con habitáculo prolongado, máximo seis puertas laterales.
- Coupé
Vehículo motorizado de carrocería cerrada, máximo dos puertas laterales. - Cabriolé
Vehículo motorizado de carrocería abierta, eventualmente con arco antivuelco de dos o cuatro puertas laterales.
- Vehículo familiar
Vehículo motorizado con habitáculo ampliado y superficie de carga. - Vehículo comercial
Furgón de transporte o carga. - Automóvil especial
Ambulancia, Autocaravana, Vehículo de servicio médico. - Automóvil multifuncional
Vehículo todo terreno, monovolumen. - Vehículo industrial motorizado
Vehículo motorizado de transporte de personas y mercancías. - Autocar
Vehículo industrial motorizado de transporte de más de nueve personas y equipaje.
- Microbús
Vehículo de transporte de máximo 17 personas. - Autobús de línea
Vehículo de transporte de personas de servicio regular y suburbano, asientos y plazas de pie.
- Autobús de línea interurbano
Servicio regular interurbano, sin plazas especiales para ir de pie. - Trolebús
6 - Autobús articulado
Vehículo con dos partes unidas entre sí por una sección articulada y transitable.
- Autobús especial
Vehículo de transporte de personas con superestructuras especiales para el traslado de personas con discapacidad o condiciones especiales.
- Camión
Vehículo industrial motorizado de transporte de mercancías o carga. - Camión universal
Vehículo de transporte de mercancías con estructura abierta o cerrada. - Camión especial
Vehículo de transporte de mercancías especiales o para aplicaciones específicas.
- Máquina tractora
Vehículo industrial para arrastre de remolques. - Máquina tractora de remolque
Arrastre de remolques, transporte de mercancías en superficie de carga auxiliar.
- Máquina tractora de semirremolque
Vehículo industrial para arrastre de semirremolques. - Tractor
Máquina tractora también apta para empujar, llevar o accionar maquinas intercambiables de diferentes aplicaciones (BOSCH, 2006).
2.1.2 CLASIFICACIÓN DE VEHÍCULOS UNECE
La siguiente clasificación fue realizada por el equipo técnico de la UNECE (Comisión Económica de las Naciones Unidas para Europa) basándose en la resolución de la construcción de vehículos. Esta clasificación es adoptada y utilizada a nivel mundial en normas, resoluciones y/o reglamentos técnicos de normalización (BOSCH, 2006).
7
2.1.2.1 Clase L
Vehículos con menos de 4 ruedas: motocicletas, triciclos. - Clase L1
Vehículo de dos ruedas con una cilindrada menor o igual a 50 centímetros cúbicos y con una velocidad máxima igual o menor a 50 km/h.
- Clase L2
Vehículo de tres ruedas con una cilindrada menor o igual a 50 centímetros cúbicos y con una velocidad máxima igual o menor a 50 km/h.
- Clase L3
Vehículo de dos ruedas con una cilindrada mayor a 50 centímetros cúbicos y con una velocidad máxima mayor a 50 km/h.
- Clase L4
Vehículo de tres ruedas asimétricas respecto al eje longitudinal del vehículo con una cilindrada mayor a 50 centímetros cúbicos y con una velocidad máxima mayor a 50 km/h.
- Clase L5
Vehículo de tres ruedas simétricas respecto al eje longitudinal del vehículo con una cilindrada mayor a 50 centímetros cúbicos y con una velocidad máxima mayor a 50 km/h.
2.1.2.2 Clase M
Vehículos con un mínimo de 4 ruedas destinados al transporte de personas. - Clase M1
Vehículo de transporte de personas con capacidad menor o igual a nueve asientos incluido el del conductor.
- Clase M2
Vehículo de transporte de personas con capacidad mayor a nueve asientos incluido el del conductor y un peso igual o menor a 5 toneladas.
8 Vehículo de transporte de personas con capacidad mayor a nueve asientos incluido el del conductor y un peso mayor a 5 toneladas.
Los vehículos de las clases M2 y M3 se subdividen a su vez en clases (vehículos exclusivamente con plazas de asiento, vehículos con plazas de asiento y de pie, Clase I-III).
2.1.2.3 Clase N
Vehículos con un mínimo de 4 ruedas destinados al transporte de mercancías. - Clase N1
Vehículo de transporte de mercancías con un peso total menor o igual a 3,5 toneladas.
- Clase N2
Vehículo de transporte de mercancías con un peso total mayor a 3,5 toneladas y menor o igual a 12 toneladas.
- Clase N3
Vehículo de transporte de mercancías con un peso total mayor a 12 toneladas.
2.2. SISTEMAS DE FORMACIÓN DE LA MEZCLA
9
2.2.1 CARBURADORES
2.2.1.1 Sistema con carburador
Una bomba de alimentación de combustible que está accionada por el árbol de levas o la distribución succiona combustible desde el tanque y lo conduce hasta el carburador. De acuerdo al diseño el sistema limita la presión máxima de suministro y puede poseer un filtro fino de combustible antes o después de la bomba.
2.2.1.2 Estructura y principio de trabajo
El conductor influye en la cantidad de aire aspirada por el motor, y por lo tanto su potencia, a través de la válvula de mariposa accionada por el cable del acelerador. En función de la cantidad de aire, el carburador dosifica la cantidad de combustible correspondiente. El flotador, en combinación con la válvula de aguja, regula la entrada de combustible en el carburador y mantiene constante el nivel de combustible en la cubeta del flotador.
10
Figura 1. Esquema de una instalación de carburador. (BOSCH, 2006)
2.2.1.3 Sistemas de dosificación de combustible
- Sistema principal
La tobera principal dosifica el combustible, en el tubo mezclador a través de los orificios laterales se añade al combustible el aire de compensación como ayuda de transporte.
- Sistema ralentí, de transición
Con el caudal de paso de aire al ralentí el sistema principal todavía no reacciona. Por este motivo hay un sistema de ralentí propio que desemboca a través del canal de ralentí detrás de la válvula de mariposa en la zona de depresión mayor. El chiclé de ralentí y el chiclé de aire del ralentí dosifican el combustible y el aire de corrección.
Para la transición al sistema principal, la válvula de mariposa controla una serie de orificios o una ranura que están alimentados por el sistema de ralentí.
2.2.1.4 Tipos de carburadores
- Carburadores de flujo descendente (de gravedad)
11 que en combinación con los tubos de admisión diseñados en consecuencia consiguen que la preparación y distribución de la mezcla sea óptima.
- Carburadores de flujo horizontal
Los carburadores de flujo horizontal, conocidos como carburadores de difusor fijo y presión constante, presentan ventajas cuando la altura constructiva del motor debe ser especialmente baja.
Los carburadores de presión constante trabajan con una sección de ventilación variable y con una depresión aproximadamente constante a la salida del combustible. La modificación de la sección de ventilación se lleva a cabo mediante una corredera de émbolo accionada neumáticamente, la adaptación de la cantidad de combustible se realiza mediante una aguja sujeta al émbolo.
- Carburador con cámara de mezcla
El carburador simple con una cámara de mezcla es el modelo más económico. El carburador de registro de la figura 2 con dos cámaras de mezcla presenta ventajas en la adaptación y se ha convertido en gran parte en la forma estándar para motores de cuatro cilindros. La carga parcial se regula con la primera etapa y la válvula de mariposa de la segunda etapa se abre únicamente para conseguir la potencia total (BOSCH, 2006).
12
2.3. ENCENDIDO
2.3.1 FUNDAMENTOS
En el motor Otto, un encendido externo inicia el proceso de combustión. La tarea del encendido es inflamar en el momento oportuno la mezcla comprimida de aire y combustible. Una condición para el funcionamiento impecable del motor es un encendido que trabaje con seguridad bajo cualquier circunstancia.
Los fallos en el sistema de encendido producen:
Fallos en la combustión de la mezcla (aire/combustible)
Daños parciales o total del catalizador
Porcentajes de emisiones de escape muy desfavorables
Consumos elevados de combustible
Potencia del motor más baja
2.3.2 LA CHISPA DE ENCENDIDO
Para que pueda formase una chispa eléctrica en la bujía solo se lo logra cuando e ha sobrepasado la tensión de encendido necesaria. La tensión de encendido depende directamente de la separación entre los electrodos de la bujía y de la densidad de la mezcla de aire y combustible en el momento exacto del encendido.
Después de que salte la chispa, la tensión de la bujía desciende hasta la tensión de combustión. Esta tensión depende de la longitud del plasma de chispa (separación entre electrodos y desviación por el flujo). Mientras dura la combustión de la chispa de encendido (duración de la chispa), la energía del sistema de encendido se transforma en la chispa.
13
Figura 3. Evolución de la tensión con el tiempo en la bujía con una mezcla en reposo o escaso movimiento.
(BOSCH, 2006)
2.3.3 INFLAMACIÓN DE LA MEZCLA Y ENERGÍA DE IGNICIÓN
La chispa eléctrica entre los electrodos de la bujía genera un plasma de alta temperaturas. El núcleo de llama resultante se desarrolla en un frente de llamas autodifundido con las condiciones de mezcla correspondientes en la bujía de encendido y el aporte de energía suficiente por el sistema de encendido.
El encendido debe asegurar este proceso bajo cualquier condición de funcionamiento del motor. Para inflamar una mezcla de aire y de combustible mediante una chispa eléctrica se necesita para cada encendido en condiciones ideales una energía aproximada de 0,2 mJ (mili Joules), siempre que la mezcla tenga una composición estática, homogénea y estequeométrica (BOSCH, 2006).
Las separaciones mayores entre electrodos, que generan un núcleo de llama mayor, precisan tensiones de encendido más elevadas. En mezclas pobres o para motores sobrecargados, la necesidad de tensión de encendido que debe cubrirse es mayor. Para una energía determinada se acorta la duración de la chispa aumentando la tensión de encendido.
14 energía de encendido como para encender la mezcla de aire y combustible con seguridad bajo cualquier condición de servicio.
Una buena preparación y un fácil acceso de la mezcla a las chispas de encendido mejoran las propiedades de encendido, así como también lo hacen una larga duración y longitud de chispa o una gran separación entre electrodos.
2.3.4 MOMENTO DE ENCENDIDO
Mediante la selección del momento de encendido puede controlarse el inicio de la combustión en el motor Otto. El momento de encendido siempre se refiere al punto muerto superior del ciclo de trabajo del motor Otto, los puntos de encendido adelantados están antes del punto muerto superior y los puntos de encendidos retardados después como se ve en la figura 4.
Figura 4. Evolución de la presión en la cámara de combustión con diferentes puntos de encendido.
(BOSCH, 2006)
15 El momento de encendido influye directamente en:
El par de giro suministrado
La cantidad de emisiones de gases de escape
El consumo de combustible
2.3.5 SISTEMAS DE ENCENDIDO
En la actualidad ya sólo hay sistemas de encendido autónomos para aplicaciones especiales (motores pequeños), en los sistemas de encendido modernos se han impuesto el encendido por bobina (encendido inductivo), encendido por condensador de alta tensión (encendido capacitivo) u otros tipos especiales. En el presente proyecto solo se estudiará el sistema de encendido por bobina.
2.3.5.1 Encendido por bobina
Todo circuito de encendido por bobina consta de:
- Una bobina de encendido con un devanado (bobinado) primario y otro devanado secundario.
- Una etapa final de encendido para controlar la corriente a través del devanado primario (integrada en la unidad de control del motor PCM o en la bobina de encendido)
- Una bujía de encendido, unida a la conexión de alta tensión del devanado secundario.
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Figura 5. Estructura de un circuito de encendido con bobinas de chispa individual. (BOSCH, 2006).
La etapa final de encendido conecta una corriente desde la red de abordo (PCM) a través del bobinado primario de la bobina antes del momento de encendido deseado. Mientras está cerrado el circuito eléctrico primario (tiempo de cierre) se forma un campo magnético en el bobinado primario. En el momento de encendido se interrumpe de nuevo la corriente a través del bobinado primario y la energía del campo magnético se descarga principalmente a través del bobinado secundario acoplado magnéticamente (inducción). Con ello se origina una elevada tensión en el bobinado secundario que genera la chispa en la bujía.
Como funciones de un sistema de encendido inductivo (encendido por bobina) se tiene:
- Determinación del momento de encendido
El momento de encendido actual en cada momento se determina en función del punto de servicio a partir del campo característico (ángulo de encendido, llenado relativo de aire y número de revoluciones).
- Determinación del tiempo de cierre
17 La cantidad de corriente de desconexión depende esencialmente de la duración de la conexión (tiempo de cierre) y de la tensión de la batería en la bobina de encendido.
Los tiempos de cierre para alcanzar la corriente de desconexión deseada vienen seteados o memorizados en las curvas características del motor.
- Tarea de encendido
Asegura que la chispa de encendido se realice en el cilindro correcto en el momento correcto y con la energía de encendido deseada.
Para sistemas ajustados electrónicamente se explora la mayoría de veces una rueda de transmisor con una marca de referencia de ángulo fijo en el cigüeñal mediante un sensor inductivo (sistema de sensores). Esto permite que puedan calcularse en la unidad de control el ángulo del cigüeñal y el número de revoluciones momentáneo.
La conexión o desconexión de la bobina de encendido puede hacerse en cualquier ángulo del cigüeñal deseado. Para la asignación inequívoca del cilindro es necesaria una señal adicional de la fase del árbol de levas, esto no aplica para motores mono-cilíndricos como, por ejemplo: una motocicleta de bajo cilindraje.
La unidad de control (PCM o CDI para motocicleta Pulsar 200NS) calcula el momento de conexión para cada combustión partiendo del momento de encendido deseado, el tiempo de cierre correspondiente y el número de revoluciones actuales y conecta la etapa final.
El momento de corte de encendido o la desconexión de la etapa final puede activarse o bien cuando ha transcurrido el tiempo de cierre o cuando se ha alcanzado el ángulo deseado. La figura 6 y la figura 7 muestran en detalle el sistema de encendido inductivo o por bobina.
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Figura 6. Sistema de encendido con bobinas de chispa individual. (BOSCH, 2006)
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2.4 SISTEMA ELECTRÓNICO
2.4.1 DEFINICIÓN DE SISTEMA ELECTRÓNICO
Un sistema electrónico es un conjunto de: sensores, circuitos de procesamiento y control, actuadores y fuente de alimentación.
Los sensores obtienen información del medio físico externo y la transforman en una señal eléctrica que puede ser manipulada por la circuitería interna de control. Existen sensores de todo tipo: de temperatura, de humedad, de movimiento, de sonido (micrófonos), de presencia, de luz, etc.
Los circuitos internos de un sistema electrónico procesan la señal eléctrica convenientemente, es decir, la manipulación o el manejo de dicha señal dependerá tanto del diseño de los diferentes componentes (hardware del sistema), como del conjunto lógico de instrucciones (la programación) que dicho hardware tenga pregrabado y que sea capaz de ejecutar de forma autónoma.
Los actuadores transforman la señal eléctrica acabada de procesar por la circuitería interna en energía que actúa directamente sobre el medio físico externo. La fuente de alimentación proporciona la energía eléctrica necesaria para que se pueda realizar todo el proceso descrito de “obtención de información del medio físico, como se observa en la figura 8 (Torrente, 2013).
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2.4.2 MICROCONTROLADOR
Un microcontrolador es un circuito integrado o también denominado “chip” (es decir, es un dispositivo electrónico que integra en un solo encapsulado un gran número de componentes) que tiene la característica de ser programable. Además, debe ser capaz de ejecutar de forma autónoma una serie de instrucciones lógicas previamente definidas (guardadas) en el microcontrolador por el usuario. En la figura 8 se puede observar un diagrama representativo del proceso que sigue un sistema electrónico, el microcontrolador es el componente principal de la circuitería de procesamiento y control.
Todo microcontrolador tiene en su interior tres elementos básicos:
2.4.2.1 Unidad Central de Proceso (CPU)
Es la parte encargada de ejecutar cada instrucción y de controlar que dicha ejecución se realice correctamente. Normalmente, estas instrucciones hacen uso de datos disponibles previamente (los “datos de entrada”) y generan como resultado final otros datos diferentes (los “datos de salida”) que pueden ser utilizados o no por las siguientes instrucciones.
2.4.2.2 Diferentes tipos de memorias
Son, de forma general, las encargadas de alojar tanto las instrucciones como los diferentes datos que se necesitan. De esta manera posibilitan que toda esta información (instrucciones y datos) estén siempre disponibles para que la CPU pueda acceder y trabajar con ella en cualquier momento.
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2.4.2.3 Diferentes patillas de Entrada / Salida (Pines)
Son las encargadas de comunicar el microcontrolador con el medio exterior. En las patillas o pines de entrada del microcontrolador se puede conectar sensores para que este pueda recibir datos provenientes de su entorno físico, y en sus patillas o pines de salida se puede conectar actuadores para que el microcontrolador pueda enviarles órdenes y así interactuar con el medio físico. De todas formas, la designación de pines de entrada o salida dependerá directa y exclusivamente de cómo este programado o configurado el microcontrolador.
Cada vez existen más productos que incorporan algún tipo de microcontrolador con el fin de aumentar sustancialmente sus prestaciones, reducir su tamaño y coste, mejorar su fiabilidad, automatización y disminuir el consumo de energía.
2.4.3 ORIGEN DE ARDUINO
22 El principal responsable de la idea y diseño de Arduino, es el llamado “Arduino Team”, formado por Massimo Banzi, David Cuartielles, David Mellis , Tom Igoe y Gianluca Martino.
2.4.4 QUE ES ARDUINO
Se debe entender que Arduino es en realidad tres cosas:
Primero, es una placa hardware libre que incorpora un microcontrolador reprogramable y una serie de pines-hembra (los cuales están unidos internamente a las patillas o pines de E/S del microcontrolador) que permiten conectar allí de forma muy sencilla y cómoda diferentes sensores y actuadores.
Cuando se habla de “placa hardware” se refiere en concreto a una PCB (del inglés “printed circuit board”, que significa placa de circuito impreso). Una PCB es la forma más compacta y estable de construir un circuito electrónico. Pero una vez fabricada, su diseño es bastante difícil de modificar.
De igual manera, al referirse a la “placa Arduino”, se debe especificar el modelo concreto, ya que existen varias placas Arduino oficiales, cada una con diferentes características (como el tamaño físico, el número de pines-hembra ofrecidos, el modelo de microcontrolador incorporado –y como consecuencia, entre otras cosas, la cantidad de memoria utilizable–, etc.). De todas formas, aunque puedan ser modelos específicos diferentes, los microcontroladores incorporados en las diferentes placas Arduino pertenecen todos a la misma “familia tecnológica”, por lo que su funcionamiento en realidad es bastante parecido entre sí, fabricada por la marca Atmel.
23 Este software específico se lo debe programar generalmente se lo realiza mediante algún lenguaje de programación de medio alto nivel como Python, C, Java, Php, etc.
Tercero, es un lenguaje de programación libre. Por “lenguaje de programación” se entiende cualquier idioma artificial diseñado para expresar instrucciones lógicas que pueden ser llevadas a cabo por máquinas. Estos comandos se escriben mediante el entorno de desarrollo Arduino.
Con Arduino se pueden realizar multitud de proyectos de rango muy variado: desde robótica básica hasta domótica avanzada, pasando por monitorización de sensores ambientales, sistemas de navegación GPS, telemetría automotriz, automatización de procesos, sistemas de seguridad, etc. Realmente, las posibilidades de esta plataforma para el desarrollo de productos electrónicos son prácticamente infinitas y tan solo están limitadas por la imaginación y sentido de la innovación (Torrente, 2013).
2.4.5 ARDUINO COMO SOFTWARE LIBRE
Según la Free Software Foundation, organización encargada de fomentar el uso y desarrollo del software libre a nivel mundial, un software para ser considerado libre ha de ofrecer a cualquier persona u organización cuatro libertades básicas e imprescindibles:
- Libertad 0: la libertad de usar el programa con cualquier propósito y en cualquier sistema informático.
- Libertad 1: la libertad de estudiar cómo funciona internamente el programa, y adaptarlo a las necesidades particulares. El acceso al código fuente es un requisito previo para esto.
- Libertad 2: la libertad de distribuir copias.
- Libertad 3: la libertad de mejorar el programa y hacer públicas las mejoras a los demás, de modo que toda la comunidad se beneficie. El acceso al código fuente es un requisito previo para esto.
24 Así, el software libre es aquel software que da a los usuarios la libertad de poder ejecutarlo, copiarlo y distribuirlo (a cualquiera, en cualquier lugar y por cualquier medio), estudiarlo, cambiarlo y mejorarlo, sin tener que pedir ni pagar permisos (licencias) al desarrollador original ni a ninguna otra entidad específica.
Para que un programa sea considerado libre a efectos legales ha de someterse a algún tipo de licencia de distribución, entre las cuales se encuentran la licencia GPL (General Public License), o la LGPL (Library General Public License), CC (Creative Commons), entre otras.
El software Arduino es software libre porque se publica con una combinación de la licencia GPL y la licencia LGPL.
2.4.6 ARDUINO COMO HARDWARE LIBRE
El hardware libre (también conocido como “open-source” o “de fuente abierta”) comparte muchos de los principios y metodologías del software libre. Particularmente, el hardware libre permite que los usuarios puedan estudiarlo para entender su funcionamiento, modificarlo, reutilizarlo, mejorarlo y compartir dichos cambios. Para conseguir esto, la comunidad ha de poder tener acceso a los ficheros esquemáticos del diseño del hardware en cuestión (que son ficheros de tipo CAD) y BOM o listas de materiales.
25 El objetivo del hardware libre es, por lo tanto, facilitar y acercar la electrónica, la robótica y en definitiva la tecnología actual a la gente, no de una manera pasiva, meramente consumista, sino de manera activa (Torrente, 2013). En resumen, el hardware abierto significa tener la posibilidad de mirar qué es lo que hay dentro de las cosas, y que eso sea éticamente correcto. Permite mejorar la educación de las personas, por eso el concepto de software y hardware libre es tan importante.
2.4.7 EL MICROCONTROLADOR ATMEGA328P
El microcontrolador más usado por Arduino es el modelo ATmega328P de la marca Atmel. La “P” del final significa que este chip incorpora la tecnología “Picopower” (propietaria de Atmel), permite que pueda trabajar a un voltaje menor y consumir menos corriente que su modelo anterior.
Es importante conocer la disposición concreta de las patillas (llamadas también “pines”) de entrada/salida (E/S) del microcontrolador, aunque en general todos los pines de E/S sirven para comunicar el microcontrolador con el medio físico exterior, es cierto que cada pin suele tener una determinada función específica. Como cada modelo de microcontrolador tiene un número y ubicación de pines diferente, para el caso concreto de este proyecto se debe tener a mano la disposición de pines del ATmega328P. La figura 9 muestra la disposición y orientación de los pines.
26 Al observar la figura 9 se puede saber exactamente que pin es el que recibe la alimentación eléctrica (señalado como “VCC”), qué dos pines están conectados a tierra (los señalados como “GND”), qué pines son los de E/S (señalados como PBx, PCx o PDx) y la existencia de otros pines más específicos.
2.4.8 ARDUINO NANO
La característica principal de esta placa es que a pesar de su tamaño (1,8 milimetros de anchura por 4,3 milímetros de longitud), sigue ofreciendo el mismo número de salidas y entradas digitales y analógicas que la placa más grande (Arduino UNO). La consecuencia más evidente de su reducido tamaño es que incorpora un conector USB mini-B.
Esta placa está especialmente pensada para conectarla a una breadboard (protoboard) mediante los pines que sobresalen de su parte posterior.
2.4.8.1 Las entradas y salidas digitales del Arduino Nano
La placa Arduino Nano dispone de 14 pines-hembra de entradas o salidas (según lo que se necesite) digitales, numeradas desde la 0 hasta la 13. Es aquí donde se debe conectar los diferentes sensores para que la placa pueda recibir datos del entorno o medio físico, y también donde se conecta los actuadores para que la placa pueda enviarles las órdenes pertinentes, además de poder conectar cualquier otro componente que necesite comunicarse con la placa de alguna manera.
Todos estos pines-hembra digitales funcionan a 5 V, pueden proveer o recibir un máximo de 40 mA y disponen de una resistencia “pull-up” interna de entre 20 KΩ y 50 KΩ que inicialmente está desconectada (salvo que se indique lo contrario mediante programación software).
27 digitales de tal forma que tan solo pueden aportar 100 mA a la vez. Esto quiere decir que como mucho se podría tener 10 pines ofreciendo 20 mA a la vez.
2.4.8.2 Las entradas analógicas del Arduino Nano
La placa Arduino dispone de 6 entradas analógicas (en forma de pines hembra etiquetados como “A0”, “A1”... hasta “A5”) que pueden recibir voltajes dentro de un rango de valores continuos de entre 0 y 5 V. No obstante, la electrónica de la placa tan solo puede trabajar con valores digitales, por lo que es necesaria una conversión previa del valor analógico recibido a un valor digital lo más aproximado posible. Esta se realiza mediante un circuito conversor analógico/digital incorporado en la propia placa.
El circuito conversor es de 6 canales (uno por cada entrada) y cada canal dispone de 10 bits (los llamados “bits de resolución”) para guardar el valor del voltaje convertido digitalmente, cuanto mayor sea la cantidad de bits de resolución que tiene un determinado conversor mayor será el grado de precisión conseguida en la conversión de señal analógica a digital.
2.4.8.3 Las salidas analógicas (PWM) del Arduino Nano
28 pulsos de frecuencia constante (aproximadamente de 490 Hz) como lo muestra la figura 10.
Es decir: cuanto más cortos sean los pulsos (y por tanto, más distantes entre sí en el tiempo, ya que su frecuencia es constante), menor será la tensión promedio de salida ver figura 11, y cuanto más largos sean los pulsos (y por tantos, más juntos en el tiempo estén), mayor será dicha tensión como se observa en la figura 12.
Figura 10 . Señal cuadrada formada por pulsos de frecuencia constante. (Torrente, 2013)
Figura 11. Señal cuadrada con pulsos cortos y menor tensión. (Torrente, 2013)
Figura 12. Señal cuadrada con pulsos largos y mayor tensión. (Torrente, 2013)
29 analógica equivalente a 0 V; si se establece el valor máximo, se estará emitiendo pulsos de máxima duración y generará una señal analógica equivalente a 5 V (Torrente, 2013).
2.4.8.4 Otros pines
Existen determinados pines-hembra de entrada/salida digitales, que además de su función “estándar”, tienen otras funciones especializadas. Por ejemplo: Pin 0 (RX) y pin 1 (TX): permiten que el microcontrolador ATmega328P pueda recibir directamente datos en serie (por el pin RX) o transmitirlos (por el pin TX). Es decir, estos pines posibilitan la comunicación sin intermediarios de dispositivos externos con el receptor/transmisor serie (de tipo TTL-UART). De todas maneras, estos pines están internamente conectados (mediante resistencias de 1 KΩ), por lo que los datos disponibles en el USB también lo estarán en estos pines.
Por “TTL” (“Transistor-to-Transistor Logic”) se entiende un tipo genérico de circuito electrónico donde los elementos de entrada y salida de éste son transistores y por UART (“Universal Asynchronous Receiver-Transmitter”) un chip que viene incorporado dentro del microcontrolador ATmega328P y que es el encargado de establecer la comunicación de tipo serie o serial entre la placa y el exterior.
Ademas que el receptor/transmisor UART entiende que los valores HIGH (bits “1”) enviados o transmitidos los representará con un pulso de 5V y los valores LOW (bits “0”) se representará con un pulso de 0 V.
Pin 13: este pin está conectado directamente a un LED incrustado en la placa (identificado con la etiqueta “L”) de forma que si el valor del voltaje recibido por este pin es ALTO (HIGH), el LED se encenderá, y si dicho valor es BAJO (LOW), el LED se apagará. Es una ayuda visual para el programador.
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Figura 13. Relación de los pines del microcontrolador ATmega328P y de los pines del Arduino Nano.
(Torrente, 2013)
2.5. SISTEMA DE COMUNICACIONES Y CONTROLADORES
Una de las varias tecnologías más prometedoras e investigadas actualmente es la comunicación serial entre computadoras o módulos electrónicos (microcontroladores) de forma inalámbrica.
Este tipo de conexión o comunicación serial se lo viene realizando mediante Ondas de Radio o Luz Infrarroja, Bluetooth y Receptores/Transmisores (Rx/Tx). Estas redes inalámbricas están presentes en muchos productos, componentes y servicios que se usa cotidianamente en el diario vivir. Dentro de la industria automotriz, existen varios tipos de aplicaciones las cuales fueron y actualmente son creadas con el propósito de facilitar la operación y comunicación entre módulos y/o computadores a bordo del vehículo, todo esto pensando en generar el mayor confort y seguridad al usuario de cualquier tipo de vehículo.
31 De igual manera no se espera que las redes inalámbricas lleguen a remplazar en un alto porcentaje a las redes cableadas, principalmente porque las velocidades de transmisión y respuesta con redes cableadas son mayores que las logradas con tecnología inalámbrica, por ejemplo, un sistema automotriz que demanda grandes velocidades de transmisión es el ABS (Anti-lockBrakeSystem).
Mientras que las redes inalámbricas actuales ofrecen velocidades de 2 Mbps, las redes cableadas ofrecen velocidades de 10 Mbps y se espera que alcancen velocidades de hasta 100 Mbps. Los sistemas de Cable de Fibra Óptica logran velocidades aún mayores, y pensando futuristamente se espera que las redes inalámbricas alcancen velocidades de hasta 10 Mbps (Prasad, 1998)
Sin embargo, se pueden mezclar las redes cableadas e inalámbricas, y de esta manera generar una especie de "Red Híbrida" y poder resolver varios problemas. Se puede considerar que el sistema cableado sea la parte principal y la parte inalámbrica le proporcione movilidad adicional a ciertos módulos y le proporcione mayor confort o seguridad al usuario según sea el caso.
2.5.1 PRINCIPIOS BÁSICOS PARA LA TRANSMISIÓN DE DATOS
En el diseño de un buen sistema de comunicaciones se debe tener en cuenta cuatro factores determinantes: el ancho de banda de la señal, la velocidad de transmisión de la información digital, la cantidad de ruido, además de otros defectos en la transmisión. El ancho de banda disponible está limitado por el medio de transmisión, así como por la necesidad de evitar interferencias con señales cercanas. La velocidad de transmisión está limitada por el ancho de banda, por la presencia ineludible de defectos en la transmisión, como el ruido, entre otros.
32 realiza usando ondas electromagnéticas. En los medios guiados como, por ejemplo: en cables de cobre, en cables coaxiales y en fibras ópticas, las ondas se transmiten confinándolas a lo largo de un camino físico. Lo contrario de los medios no guiados, también denominados inalámbricos, proporcionan un medio para transmitir las ondas electromagnéticas sin confinarlas, como por ejemplo en la propagación a través del aire, el mar o el vacío.
Un medio de transmisión puede ser simplex, half-duplex o full-duplex. En la transmisión simplex, las señales se transmiten solo en una única dirección; siendo una estación la emisora y la otra la receptora. En half-duplex, ambas estaciones pueden transmitir, pero no simultáneamente. En full-duplex, ambas estaciones pueden igualmente transmitir y recibir, pero ahora simultáneamente, es decir, en ambos sentidos al mismo tiempo, lo que se conoce como feedback (Rivas, 2010).
2.5.2 COMUNICACIÓN SERIAL
2.5.2.1 Introducción
La historia de las comunicaciones se remonta a 1810 cuando un alemán de apellido Von Soemmering, utilizó 26 cables (uno por cada letra del alfabeto) pegados a la parte inferior de un acuario. Cuando se pasaba corriente por los cables se producían burbujas en el agua. De esta forma, se podían enviar mensajes codificados. Los militares de esa época vieron este ingenio y se inició la carrera para desarrollar los sistemas de comunicaciones.
33 Cuando se habla de código Morse, se habla de comunicación SERIAL. Se denominada serial, por los bits (información) se reciben (RECEPTOR) y se envían (TRANSMISOR) uno detrás de otro o “en serie”.
2.5.2.2 Principio de funcionamiento
Posee un bit de inicio, bit de parada y un bit de paridad:
- Bit de inicio: Cuando el receptor detecta el bit de inicio sabe que la transmisión ha comenzado y es a partir de entonces que debe leer la transmisión y debe leer las señales de la línea a distancias concretas de tiempo, en función de la velocidad determinada.
- Bit de parada: Indica la finalización de la trasmisión de una serie de datos. - Bit de paridad: Con este bit se pueden descubrir errores en la transmisión de datos.
2.5.3 BLUETOOTH
2.5.3.1 Reseña histórica
A principios de 1994, un equipo de investigadores dirigido por Sven Mattisson y Jaap Haartsen en la ciudad universitaria de Lund, Suecia, estaban buscando la posibilidad de desarrollar una conexión inalámbrica entre un audífono de oído y un teléfono. Mientras iban avanzando en la investigación, se dieron cuenta que dicha tecnología excedía las expectativas de solamente crear un audífono inalámbrico, y con ello, por accidente, nació el concepto de Bluetooth (Brooks, 1986).
2.5.3.2 Definición y Especificaciones técnicas desarrolladas
34 tablaproporcionar un protocolo de comunicación entre distintos dispositivos electrónicos de consumo, de investigación e industriales (computadores, impresoras, teléfonos, cámaras digitales, módulos electrónicos, Arduino, redes inlambricas, etc.) relativamente próximos (a unos pocos metros de distancia) sin que haya la necesidad de llevar un control explicito por parte del usuario de direccionamientos de red, permisos y otros aspectos típicos de redes tradicionales. La principal ventaja de usar Bluetooth es que permite simplificar el descubrimiento y configuración automática de dispositivos cercanos, ya que estos pueden indicarse entre sí los servicios que ofrecen de forma autónoma (Torrente, 2013).
El estándar Bluetooth utiliza para la transmisión de voz y datos un enlace de radiofrecuencia en la banda ISM de los 2,4 GHz (ver figura 14). Las bandas ISM (“Industrial, Scientific and Medical”) están reservadas internacionalmente para el uso no comercial de radiofrecuencia electromagnética. Esto quiere decir que se pueden utilizar abiertamente por todo el mundo sin necesidad de licencia, simplemente respetando las regulaciones que limitan los niveles de potencia transmitida.
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2.5.3.3 Configuración
Dentro del estándar Bluetooth están definidos los llamados “perfiles de dispositivo”. Cada “perfil” es un protocolo adicional superpuesto al protocolo Bluetooth básico que determina la manera de comunicarse que tendrá el dispositivo que lo implemente. Es decir: dependiendo del perfil utilizado, un dispositivo Bluetooth será capaz de recibir/transmitir en un formato de datos concreto y no en otro.
Básicamente lo que hacen es transformar la señal Bluetooth recibida desde el exterior en una señal serie RX para entregarla al ATmega328P de la placa Arduino, y transformar la señal TX generada por el ATmega328P en una señal Bluetooth lista para enviar al exterior. Por tanto, una vez establecido el cableado pertinente, manejar la transferencia de datos vía Bluetooth en caso de Arduino se usa las funciones del objeto Serial (concretamente, Serial.print() para enviar al exterior y Serial.read() para recibir). La velocidad de comunicación entre el ATmega328P y los módulos HC-05 es por defecto de 9600 bits/s.
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3. METODOLOGÍA
En el diseño e implementación de los módulos electrónicos para el bloqueo del sistema de encendido del vehículo, se obtuvieron diferentes alternativas ya que el sistema tiene una configuración similar al del sistema inmovilizador y va a ir montado en una motocicleta, de acuerdo con esto se optó por realizar los dispositivos utilizando hardware y software compatibles con Arduino, principalmente por el tema de costos de componentes electrónicos y de licencias para software de programación.
Es un módulo electrónico que sirve para establecer una comunicación inalámbrica tipo bluetooth, este tipo de comunicación utiliza y solo permite que se comuniquen dos módulos entre sí. El módulo HC-05 es muy versátil ya que permite configurarlo como modulo esclavo o como modulo maestro (perfiles del dispositivo), es decir con dos módulos HC-05 se puede establecer una comunicación bluetooth.
Es una plataforma física y digital basada en una placa electrónica con entradas y salidas (E/S), capaces de recibir y transmitir señales analógicas y digitales, su elemento principal es un microcontrolador (ATmega328), un chip sencillo que permiten el desarrollo de diferentes diseños y aplicaciones, a través de un lenguaje de programación relativamente sencillo debido a su origen como open source (hardware y software libre).
Es un sensor capaz de detectar un obstáculo a distancia, funciona comparando los datos de un foto diodo y un led infrarrojo, la distancia de operación de este dispositivo es de 20 a 600 mm dependiendo de cómo se lo configure. La configuración es manual con un trimmer (potenciómetro) incorporado.
El sistema de bloqueo para encendido que se diseño tiene los siguientes parámetros de aplicación y funcionalidad:
37 electrónicos montados en protoboard y posteriormente con componentes electrónicos soldados a una placa electrónica.
- El sistema de bloqueo se diseña con la finalidad de que su funcionamiento sea resistente a factores y situaciones críticas de operación para esto se utiliza materiales de alta calidad y una programación que enclava al sistema una vez realizada la comunicación entre módulos, asegurando la funcionalidad de todo el sistema.
- La activación del sistema (desbloqueo) está programada de forma automática, mediante conexión inalámbrica, o de forma manual, mediante clave de acceso.
- Para la activación del sistema de forma automática, el módulo electrónico instalado en el casco del usuario será el único módulo capaz de comunicarse con el modulo electrónico de la motocicleta y desbloquear el sistema, permitiendo el encendido de la motocicleta. Caso contrario para la activación manual del sistema, se solicitará ingresar una clave de acceso.
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4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Para este proyecto se contempla los siguientes objetivos de diseño:
- Crear un diseño útil y práctico capaz de crear una experiencia satisfactoria en el usuario.
- Obtener un sistema lo suficientemente robusto para que pueda cumplir con sus funciones en circunstancias normales y críticas.
4.1 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL MODULO
ELECTRÓNICO
Para el diseño y construcción del módulo electrónico es necesario analizar los elementos por ello se define utilizar:
4.1.1 PLACA ARDUINO NANO
4.1.1.1Señales y su procesamiento
El procesamiento de las señales digitales, tanto del sensor como de los pulsadores de la clave de acceso, son las características principales para el diseño del programa de control instalado en cada uno de los microcontroladores.
Al utilizar una lógica de programación funcional para esta aplicación se determina que el módulo maestro va a ir instalado en el casco del conductor y el modulo esclavo va a ir montado en la motocicleta.
4.1.1.2 Diagrama de bloques e/s
39 diagrama de características especiales del sistema general, que muestra cómo va a interactuar cada componente.
Figura 15. Diagrama de bloques E/S para corte de alimentación del sistema de encendido.
4.1.2 SELECCIÓN DE COMPONENTES ELECTRÓNICOS
Actualmente existen en el mercado muchas variedades en cuanto a componentes electrónicos, ya sea por su calidad o por su precio. Para este proyecto se toma en cuenta el tema costo y calidad (cumplimiento de especificaciones básicas). La tabla 1 muestra cuales son los componentes electrónicos que utiliza para construir el módulo electrónico esclavo y la tabla 2 muestra cuales son los componentes electrónicos que utiliza para construir el módulo electrónico maestro.
Se debe tener en cuenta que en el mercado electrónico de actual del páis existen bastantes imitaciones en cuanto a microcontroladores y módulos bluetooth, es recomendable usar siempre componentes originales para no tener ningún tipo de inconvenientes, ya que las imitaciones se pueden desprogramar y generar un fallo en el sistema al momento de su uso.